齐鲁晚报·齐鲁壹点记者　于梅君
　　今年9月份,我国宣布突破二氧化碳到淀粉的人工合成,这是人类首次做到了将二氧化碳合成淀粉。10月份,我国又首次实现从一氧化碳到蛋白质的合成,合成过程只需短短的22秒,并且已开始万吨级规模化生产。那以后是不是用空气就能做馒头、汽车尾气也能变蛋白质、“西北风”当饭“吃”不再是做梦?
　　■　二氧化碳合成淀粉,为“细胞工厂”打开一扇窗
　　以二氧化碳为原料,不依赖植物光合作用,直接人工合成淀粉——中国科学院天津工业生物技术研究所科研团队在实验室里首次实现了从二氧化碳到淀粉的从头合成。
　　科研人员用一种类似“搭积木”的方式,从头设计、构建了11步反应的非自然二氧化碳固定与人工合成淀粉新途径。核磁共振等检测发现,人工合成淀粉分子与天然淀粉分子的结构组成一致。
　　初步测试显示,人工合成淀粉的速率是自然淀粉合成速率的8.5倍。理论上,1立方米大小的生物反应器,年产淀粉量相当于我国5亩玉米地的年产淀粉量。
　　“为未来的‘细胞工厂’打开了一扇窗。”对此次研究的应用前景,天津工业生物所副研究员蔡韬打了一个比方:人工合成淀粉的新反应途径相当于汽车发动机,酵母细胞相当于汽车底盘,下一步要把发动机放到底盘上安装好,对酵母细胞进行系统设计与改造,搭建一个淀粉合成的“细胞工厂”,进行规模化生产。
　　目前咱们想获得淀粉,都是由玉米等农作物通过自然光合作用固定二氧化碳生产,不过,这种方式存在几个问题:
　　步骤复杂:自然界淀粉合成与积累,涉及60余步代谢反应以及复杂的生理调控。效率低:理论能量转化效率仅为2%左右。速度慢:玉米的生长周期一般超过100天。占用空间大:需要使用大量土地、淡水等资源以及肥料、农药等农业生产资料。
　　但用二氧化碳人工合成淀粉就完全不一样了。科研人员重新设计出一条路径,只需要11步就能从二氧化碳人工合成淀粉。效率上,从太阳能到淀粉的转化率为7%,是自然界合成淀粉的3.5倍。合成速率上,相比自然界数个月的合成时间,实验室里只需大约4个小时。最重要的是,它不需要光合作用,完全通过纯工业/实验室合成,能让我们未来像工业发酵生产啤酒一样生产淀粉。
　　其生产过程简单点说就是,科学家先将二氧化碳用无机催化剂还原为甲醇,然后将甲醇转化为三碳,接下来再将三碳合成六碳,最后,聚合成淀粉。
　　人工合成淀粉什么味道?据科研团队介绍,外观上,人工合成淀粉跟从玉米、薯类等农作物中提纯出来的淀粉是一样的。如果把人工合成淀粉做成面条、粉丝,大概会像意大利面那样劲道。
　　不过,“细胞工厂”生产粮食的希望实现前,科学家还需先攻克多重难关。
　　“我们目前对很多生命过程的理解还不到位。”中科院天津工业生物所所长马延和说,未来搭建“细胞工厂”面临着人工生命设计、合成、调控等诸多基础科学挑战,需要化学、物理、工程等学科与生物学的长期交叉研究。
　　此外,要让人工合成淀粉与农业种植相比具有经济可行性,也需要艰难、持续的科技攻关过程。中科院副院长周琪表示,这一成果目前尚处于实验室阶段,离实际应用还有很长距离,后续需尽快实现从“0到1”概念突破到“1到10”的转换。
　　据了解,我国“十四五”规划和2035年远景目标纲要中,合成生物被专门列入科技前沿领域攻关范畴。科研团队的下一步目标,就是要推动成果走向产业应用,未来让人工合成淀粉的经济可行性接近农业种植。
　　在科学家眼里,人工合成淀粉未来如果进入实际应用,将会节约90%以上的耕地和淡水资源,避免农药、化肥等对环境的负面影响。此外,人工合成淀粉过程中“抓”住的二氧化碳,若能远多于排放的二氧化碳,就可以进一步挖掘潜力,为碳达峰碳中和做出更大贡献。

　　■　一氧化碳合成蛋白质,已形成万吨级工业生产能力
　　除了二氧化碳合成淀粉,我国在一碳生物合成领域也取得重大突破性进展。10月30日,中国农业科学院饲料所与北京首钢朗泽新能源科技有限公司共同发布:国际上首次实现从一氧化碳到蛋白质的合成,并已形成万吨级的工业生产能力。
　　该项研究以含一氧化碳、二氧化碳的工业尾气和氨水为主要原料,“无中生有”制造新型饲料蛋白资源乙醇梭菌蛋白,将无机的氮和碳转化为有机的氮和碳,实现了从0到1的自主创新。
　　该技术大幅提高了反应速度(22秒合成),创造了工业化条件下一步生物合成蛋白质收率最高85%的世界纪录,为大规模生物合成蛋白质提供了可能性。
　　以工业化生产1000万吨乙醇梭菌蛋白(蛋白含量83%)计算,相当于2800万吨进口大豆(蛋白含量30%)当量,“不与人争粮、不与粮争地”,开辟了一条低成本非传统动植物资源生产优质饲用蛋白的新途径,可减排二氧化碳2.5亿吨,节省耕地10亿亩(以平均亩产大豆300斤计)。
　　北京首钢朗泽负责技术研发的副总裁晁伟博士表示,“此次是国际上首次在工业条件下用含一氧化碳工业尾气合成菌体蛋白并实现规模化生产,对保障粮食安全意义重大”。
　　中国农科院饲料所研究员薛敏博士解释,我国的蛋白质饲料长期依赖国外进口,对外依存度达到80%以上,2020年我国大豆进口量超1亿吨,其中饲料消费8800万吨,占比85%,“可见饲料争粮现象之严重”。她表示,该项目的最大意义,就在于“不与人争粮、不与粮争地”,解决饲用蛋白短缺问题,10%乙醇梭菌蛋白可替代20%豆粕。
　　晁伟指出,乙醇梭菌在利用一氧化碳合成蛋白的同时,还会产出大量乙醇,每生产1吨蛋白会产生9—10吨乙醇,因此原料气中90%的碳转化为乙醇,10%左右的碳转化为蛋白,“所以碳的利用率并不是只有10%,相应的碳减排量也是结合乙醇一并考虑的”。综合计算,50万吨一碳菌蛋白(联产500万吨乙醇)产量相当于138万吨大豆,1500万吨玉米,减排1250万吨二氧化碳。
　　他介绍,该技术可利用的原料气很多,如钢铁、石化炼油、煤化工等工业尾气。以钢铁为例,我国每年钢产量10亿吨,含一氧化碳的转炉煤气+高炉煤气就超过1万亿立方米,“当然不能实现100%的利用,但利用部分也是相当大的产能”。
　　专家认为,不依赖植物光合作用,设计人工生物系统固定二氧化碳合成淀粉,一氧化碳合成蛋白质,将是影响世界的重大颠覆性技术,也是当今世界科技创新的战略方向。一氧化碳人工合成蛋白质已开始工业化大量生产,未来二氧化碳人工合成淀粉技术成熟后,它们或将开启人类农业和食品领域新纪元。