糧食不需要土地種植，可以在生產(chǎn)車間中制造出來。如今，這個(gè)看似天方夜譚的想象正在成為可能。

以二氧化碳為原料，不依賴植物光合作用，直接人工合成淀粉——我國科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室里首次實(shí)現(xiàn)二氧化碳到淀粉的從頭合成，成果北京時(shí)間24日由國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》發(fā)表。

淀粉是糧食最主要的成分，通常由農(nóng)作物通過自然光合作用固定二氧化碳生產(chǎn)。

自然界的淀粉合成與積累，涉及60余步生化反應(yīng)以及復(fù)雜的生理調(diào)控。中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所研究員馬延和帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，采用一種類似“搭積木”的方式，從頭設(shè)計(jì)、構(gòu)建了11步反應(yīng)的非自然固碳與淀粉合成途徑，在實(shí)驗(yàn)室中首次實(shí)現(xiàn)從二氧化碳到淀粉分子的全合成。

實(shí)驗(yàn)室初步測試顯示，人工合成淀粉的效率約為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)淀粉的8.5倍。

“這也意味著，我們所需要的淀粉，今后可以將二氧化碳作為原料，通過類似釀造啤酒的過程，在生產(chǎn)車間中制造出來?！碧旖蚬I(yè)生物所所長馬延和說。

不依賴植物光合作用、人工合成碳水化合物，一直是世界各國科學(xué)家的夢(mèng)想。此前，華人科學(xué)家楊培東曾帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)利用聚糖反應(yīng)成功將二氧化碳轉(zhuǎn)化為多種單糖混合物。

“但是，他們還尚未實(shí)現(xiàn)復(fù)雜碳水化合物的人工定向合成?！碧旖蚬I(yè)生物所副研究員蔡韜說：“也就是說，他們的路線方法合成的是多種簡單糖類化合物的混合物，還很難定向到其中的一種?！?/p>

專家介紹，淀粉高效人工合成的挑戰(zhàn)主要來自低密度太陽能到高密度電能和氫能，低濃度二氧化碳到高濃度二氧化碳，以及復(fù)雜合成途徑到簡單合成途徑3個(gè)方面。此前，在眾多科研人員的努力下，前兩個(gè)問題已基本得到了解決。

“這次，我們主要在人工合成途徑構(gòu)建方面實(shí)現(xiàn)了跨越式突破?！瘪R延和說。

他介紹，一是跨越了人工途徑進(jìn)化的鴻溝?？朔瞬煌瑏碓?、不同遺傳背景的生物酶之間熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)不匹配等瓶頸，二氧化碳到淀粉的碳轉(zhuǎn)化速率和效率顯著提升；二是跨越了從虛擬到現(xiàn)實(shí)的鴻溝。團(tuán)隊(duì)用計(jì)算機(jī)可以設(shè)計(jì)出很多條合成途徑，通過各種模塊的組裝和適配，最終篩選出了符合條件的路徑，實(shí)現(xiàn)了人工淀粉合成。

“經(jīng)過分析鑒定，我們合成的淀粉樣品無論成分還是理化性質(zhì)，都和自然生產(chǎn)的淀粉一模一樣。”蔡韜說。

據(jù)科研團(tuán)隊(duì)介紹，在充足能量供給的條件下，按照目前的技術(shù)參數(shù)推算，理論上1立方米大小的生物反應(yīng)器年產(chǎn)淀粉量相當(dāng)于我國5畝土地玉米種植的平均年產(chǎn)量。

馬延和說：“這一成果使淀粉生產(chǎn)的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植模式向工業(yè)車間生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變成為可能，并為二氧化碳原料合成復(fù)雜分子開辟了新的技術(shù)路線?！?/p>

不過，這一成果目前尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，離實(shí)際應(yīng)用還有距離。