用二氧化碳合成的澱粉能吃嗎？坦白講，我不是不敢吃，而是捨不得吃

怎麼用有限的土地、淡水，生產更多的糧食？目前農業上的技術革命，都沒有脫離植物本身的固碳模式。但是在未來，我們可能透過太陽能和高濃度二氧化碳來合成澱粉，重新建立一條以二氧化碳為原料的工業路線…

出品：格致論道講壇

以下內容為中國科學院天津工業生物技術研究所研究員

蔡韜

演講實錄

大家好，我是來自於中國科學院天津工業生物技術研究所的蔡韜。今天和大家分享澱粉合成的故事。

提到澱粉，我們首先想到的就是糧食。我們全球的糧食生產耗費將近40%的土地和70%的淡水資源，同時還消耗大量的化肥和農藥。即使這樣，據世界糧農組織統計，全球還有將近10億人面臨嚴重的飢餓威脅。我們不要小瞧這40%的土地，這是我們刨除南北極的凍土、不能耕地的沙漠、荒原以及我們不能再砍伐的熱帶雨林之外，地球上能拿得出手的幾乎所有土地了。這也就意味著在未來，我們不可能透過大規模地增加耕地的方式來提高糧食的產量了。

隨著全球人口的增長，我們對糧食的需求還在不斷地提高。怎麼來應對這個問題？這裡面的核心挑戰，就是

我們如何用有限的資源、有限的土地、有限的淡水來生產更多的糧食。

我們先來看一下糧食生產的正規化，即透過耕地來生產糧食。在1萬多年前，我們的祖先其實就已經掌握了這種方式，把種子播撒在土地上，到秋天的時候收穫糧食。到現代，我們經歷過一系列的技術革命，這些技術不斷地提高農作物的產量，但是這種春種秋收的正規化並沒有改變。現在我們越來越清楚地看到，這種正規化的天花板已經在那兒了。

再以交通出行為例，我們最原始的出行方式是什麼？就是靠我們的雙腿走。這種方式的天花板是博爾特，如果我和他賽跑，我可能連他的影子都看不到。但是如果給我一匹快馬或一輛跑車的話，我就可能輕易地超過他。這就是正規化改變所帶來的魅力，它可以把前一種正規化下不可能的事情變為可能。現在人類就可以通過出行方式的轉變去到月球，未來我們還可能去火星。

▲人工合成澱粉專案首席科學家馬延和

人工合成澱粉專案的首席科學家馬延和研究員對這件事做了一個非常形象的比喻：過去農業經歷的技術革命“都沒有脫離植物本身的固碳模式。就像是跑得再快，本質上還要依靠雙腳。能不能跳出這個模式，造一輛汽車呢？”

憑空製造？這可能嗎？

已完成：10%

憑空製造？這可能嗎？

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那怎麼來造“這輛汽車”呢？我們首先要分析一下糧食的主要組分到底是什麼。

以穀物糧食為例，它70%-80%的成分都是澱粉。全球每年的糧食產量大概是30億噸，其中接近20億噸都是澱粉這種分子。那麼，我們有沒有可能換一種方式來生產澱粉呢？於是我們研究所在2015年的時候，就正式立項人工澱粉合成的專案。這個專案的初衷，就是

憑空製造？這可能嗎？

。我們把這種正規化的轉變稱為“農業工業化”。

這樣做的好處有什麼？首先，我們可以把種植農作物的漫長週期縮短。比如種植玉米需要100-150天，我們可以把它縮短到2-3天內完成。另外，可以大幅降低農業種植對土地的依賴，以後可能在一個很小的空間內就可以生成澱粉。更重要的是，由於這種方式不再依賴植物來合成澱粉，可以真正擺脫對土地和水資源的依賴，並減少農業種植對它們的影響。

這個專案一開始的時候，我們就希望能用空氣中的二氧化碳和太陽能，直接製造澱粉，所以給這個專案起名叫“憑空製造”。但是憑空製造真的可能嗎？

左邊是專案早期的一張照片，從右邊數第二個露半張臉的那個人就是我。當時我還是一個非常快樂的小青年，因為我還沒有意識到我們未來將面臨怎樣嚴峻的挑戰。

我們先來看一看如何把澱粉從農業生產過程變成工業生產過程，以及在這個過程中，我們面臨哪些挑戰。

▲澱粉工業化生產的三大挑戰

我們先來分析一下農作物是如何合成澱粉的。首先，農作物要吸收太陽能，把太陽能轉化為生物可以利用的ATP或者NADPH這種形式。但是因為太陽能的能量密度非常低，每平方米平均下來大概只有1000瓦，這就意味著植物一定要大面積種植才能獲得足夠的能量。

有了能量之後需要固定二氧化碳。植物利用的是大氣中萬分之四的二氧化碳，這是一個非常稀薄的濃度。那也就意味著需要固定很長時間，才能積累足夠的碳源來合成植物以及我們的目標產物澱粉。

然而，固定好二氧化碳不等於產生了澱粉，植物還要經過一個漫長複雜的合成途徑，而這個途徑又受到非常多嚴格的調控。比如說玉米需要在整個植株長好之後，在營養豐富的情況下才會結出玉米棒子，玉米的籽粒裡才會積累澱粉。

▲應對三大挑戰的思路

當我們想明白這些挑戰之後，我們就提出了應對這些挑戰的思路。首先，二氧化碳從哪兒來？我們國家的熱電廠、水泥廠是固定源，每年排放大概40億-50億噸的二氧化碳。這些二氧化碳的濃度大於90%、甚至接近100%，我們可以把這些高濃度的二氧化碳捕集過來。

另一方面，我們可以把低密度的太陽能轉化為高密度的電能、氫能，能量密度可以是太陽能密度的十倍、百倍甚至千倍。除了利用太陽能，還可以用風能、水能甚至是核能。我們國家最近的核聚變接連取得突破，如果這個技術真正得到應用的話，那麼就會有取之不盡、用之不竭的綠色能源。

最後，我們要設計一個化學還原的過程，把高濃度二氧化碳轉變為一個簡單的碳一化合物，碳一化合物再透過生物過程的轉化，合成為非常複雜的澱粉分子。這樣的設計思路不僅發揮了化學催化速度快的優勢，還充分發揮了生物催化可以合成複雜分子的優勢。

憑空製造？這可能嗎？

已完成：40%

憑空製造？這可能嗎？

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我們先來看一下化學還原這個過程。其實這個領域已經發展二三十年了，很多技術已經非常成熟，甚至接近產業化了。二氧化碳被不同的能量形式還原，可以生成甲酸、一氧化碳、甲醇和甲烷。

▲二氧化碳化學還原

我們沒有使用一氧化碳和甲烷，因為它們是氣體，在後面的生物轉化體系中它們的傳質效率非常低。而甲酸和甲醇的水溶性非常好，可以大幅提高澱粉合成的效率，因此我們選擇了甲酸和甲醇作為橋連化學反應和生化反應的中間分子。

▲如何設計更簡單的澱粉合成途徑

最後，我們還有一個關鍵的工作，就是利用途徑計算的方式，讓這些甲酸和甲醇變成澱粉。這裡我們提出來兩個原則。一個是能量耗散最小原則。二氧化碳是一個惰性很大的化合物，如果我們想轉化它，一定要輸入能量。輸入的能量越少，整個系統的能效就越高，成本可能就越低。第二，我們希望它的反應步驟越短越好。因為反應步驟越短，我們越容易去設計、去操作，合成效率也會更高。

透過這兩個原則，我們從6000多個反應裡面計算出來4條可能的澱粉合成路徑。其中A組裡有兩條，只不過大部分是重合的。基於計算的結果我們發現，

憑空製造？這可能嗎？

我們當時非常興奮。但是能不能真正地實現它呢？

這裡我們要介紹一個生物科學中的催化劑——酶。以這個反應為例，這裡有兩個三碳化合物，一個叫磷酸二羥基丙酮，另外一個叫三磷酸甘油醛。在自然的狀況下，這兩個化合物會聚合生成一個六碳化合物，叫果糖1，6-二磷酸。但是這個過程發生的非常緩慢，可能需要幾百萬年才能完成。

但是，我們一旦在這個系統里加入一個酶，比如說果糖二磷酸醛縮酶，就可以大幅提高反應的速度，這個過程可能在幾分鐘內就完成了。我們可以把酶比作為工廠流水線上一個具有特殊技能的工人，它可以高效地完成一件非常複雜具有挑戰性的事情。

▲從不同的生物中找到了高效催化9步反應的酶，但是……

因此，我們需要尋找能催化這些反應的酶。我們把這些酶新增進化學反應中，期望能看到澱粉。但是事與願違，我們做了很多的最佳化和調整，但始終都沒有看到盼望中的澱粉。這是什麼原因？

我們當時分析後認為，因為這些酶來自於不同的物種，它們從來沒有在一起工作過。我們貿然地把它們放在一起讓它們一起去工作，其間可能就會出現問題。

▲問題出在哪裡？

因此，我們需要找出這些問題。我們借鑑了軟體程式設計中模組化的概念，把非常複雜的人工計算切割成了4個更簡單的模組。在每個模組中，我們又設計了一個很方便的方法來檢測它們的功能。右下角和左上角的圖是我們在2016年測試模組時做的實驗。它看起來很複雜，其實說起來非常簡單。我們在炒菜時有菜譜，比如一道菜需要兩個西紅柿，三個雞蛋，鹽少許，醬油兩勺。按照菜譜上的溫度和時間製作，就可以出鍋品嚐了。我們的這個工作其實和炒菜類似。比如在這個實驗記錄裡，我們記下的是酶要放多少，底物要放多少，溫度要控制在30度，時間可能是半個小時。

▲從虛擬到現實：9步變為11步

之後，我們就能透過化學和物理的方法檢測出最終的產物。我們發現，真正出現問題的地方不在模組內部，而是在模組之間。比如圖中藍色和紅色的模組，也就是碳一和碳三模組之間，其實存在熱力學不匹配的問題。碳三和碳六模組之間有一個代謝流平衡的問題。碳六和碳N模組中有副產物抑制的問題。發現這些問題之後，我們對相應的模組進行了調整，並重新進行了設計。透過這種方式，我們就把原先透過計算機虛擬設計的共計9步的人工途徑，變成了在燒杯或者試管中能夠實現的11步的反應。整個過程

憑空製造？這可能嗎？

2018年7月24日是我一直銘記著的日子，因為這一天是經過三年多的工作後，我們第一次看到澱粉藍。

我們平常看到的澱粉都是白色粉末狀的，但澱粉有個非常典型的顏色反應，就是遇碘會變藍。透過這種方式，我們就能來判斷是否產生了澱粉。最左邊這個是陰性的對照組，我們稱之為陰性對照。它不產生任何澱粉，碘染之後呈現白色。最右邊的是陽性對照，當合成很多澱粉後，碘染之後就是這樣的深藍色。中間的是我們在經過多次調整後的一個樣品，它是一個很淡的、很微弱的藍色。

這是因為我們在初期合成的澱粉鏈比較短。澱粉的鏈越短，它的顏色就越偏向於紫紅色，而越長就偏向於深藍色。而且我們初次合成的量是非常低的，所以看起來藍色就非常微弱。雖然顏色非常微弱，但是它在我們的眼中卻有著無與倫比的生命力。

憑空製造？這可能嗎？

已完成：60%

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到此為止，我們就構建了人工澱粉合成途徑的1。0版本，實現了從虛擬到現實的跨越。

▲Artificial Starch Anabolic Pathway （ASAP 1。0）

整個途徑是由1步化學反應和10步生物反應組成的。但在這個階段，澱粉的生產強度比較低，大概只有3毫克每升每小時，比植物的合成速率還慢。

我們分析了原因，發現這個途徑中有3個酶，它們的活性或多或少會受到各種各樣的影響，這就導致整個途徑的澱粉合成能力大幅下降。這就像生產線上有幾個業務能力水平不夠的工人，產品一到他這兒就卡殼兒了，導致整個生產線的效率大幅下降。怎麼辦？我們可以對工人進行培訓，提高他的業務水平。同樣我們可以對酶進行改造，來提高它的效能。

這張圖是對酶進行的改造。酶是由氨基酸序列形成的，在它的催化中心有一些關鍵的氨基酸，它們對催化起著決定性的作用。我們把催化中心一個非常關鍵的28位的異亮氨酸變成了亮氨酸，使通道的口變小，進而來提高酶的酶活用。

透過類似的方式，我們改造了這個途徑中3個關鍵的酶。第一個酶是fls，透過改造，我們提高了它的活性；第二個酶是fbp，我們解除了輔因子ADP對它的反饋抑制；最後一個酶是agp，透過改造，我們提高了它對ADP這種輔因子的競爭能力。透過對這3個酶的改造，我們構建出了人工澱粉合成途徑的2。0版本。

把澱粉生產的農業化過程變成一個工業化的過程

到這一步，我們從一碳到澱粉的合成工作已經完成了。下面我們要思考如何把二氧化碳化學還原的步驟整合進來，因為我們最終的目標是透過二氧化碳合成澱粉。這個時候我們就找到了李燦院士團隊。

▲左：光伏電解水制氫右：CO2加氫制甲醇

李院士的團隊在20多年的時間裡一直致力於研究二氧化碳的轉化利用，他提出的“液態陽光”計劃實際上就是透過光伏把太陽能變成電能，然後電解水產生氫氣，再用氫氣去還原二氧化碳合成甲醇。甲醇可以作為燃料，也可以作為其他化合物合成的原料。整條路線可以使太陽能轉化為化學能的效率大於10%，這遠遠超過自然的光合作用。

李院士給我們提供了非常多的幫助。但是化學反應是個高溫高壓的過程，它的速度比較快。而生物是要在溫和條件下反應，它整體上比較慢。這就導致從甲醇的合成到生物體系的反應過程中會積累很多中間產物，這會對酶產生非常嚴重的抑制作用。