用二氧化碳合成淀粉異議

?來源：得到之巡山報告

用二氧化碳合成淀粉

剛剛過去的這個月，有一項研究肯定刷爆了大家的朋友圈，簡單來說就是“空氣變饅頭”的技術。

在2021年9月24日，來自中國科學院天津工業生物研究所的科學家在《科學》雜志發表論文，實現了在實驗室條件下從二氧化碳到淀粉的人工合成途徑 [6]。用二氧化碳生產淀粉，既能幫助實現碳中和，也能幫助解決糧食生產問題，所以這項研究引起了人們熱烈的關注和討論。

我的看法是，這確實是一項非常漂亮的研究，但很多外行的關心和夸獎，我覺得是徹底搞錯了重點。

我們知道，把空氣中的二氧化碳變成淀粉是綠色植物已經做了幾億年的工作，它還有個如雷貫耳的大名——光合作用。光合作用的過程非常復雜，咱們沒法詳細展開，但如果追蹤碳原子的流向，它主要可以分成三個階段：

首先，用含有1個碳原子的分子，也就是二氧化碳，生產含有3個碳原子的分子，比如3-磷酸甘油醛；

然后，在用這些分子，去合成制造含有6個碳原子的葡萄糖；

最后，再用葡萄糖分子生產含有大量碳原子的淀粉。

簡單來說，光合作用就是三個步驟——碳1到碳3；碳3到碳6；碳6到碳無窮。

第一步從碳1到碳3，可能是最難跨越的，也是光合作用中最復雜的環節。因為這一步需要消耗巨大的能量。具體來說，植物先要依靠葉綠體吸收太陽光的能量，用這個能量制造高能化學物質（比如ATP和NADPH），從而實現光能到化學能的轉換。然后，再用這些高能化學物質捕獲空氣中很低濃度的二氧化碳，把它轉換成碳3物質。

而后面兩個步驟，碳3到碳6、碳6到碳無窮，是大家比較熟悉的生物化學反應的樣子。在幾種酶的催化下，利用ATP分子提供的能量就可以在常溫下持續進行。

整體而言，盡管已經經歷了億萬年的進化打磨，植物中整個過程的轉換效率也并不高，大約就是5%上下。

有了這個背景鋪墊，我們才好介紹這項新研究的具體內容：

研究者們也想實現碳1到3、3到6、6到無窮的合成步驟。但我們說了，第一步如果從二氧化碳出發，難度太大了，于是研究者們首先選用了一個比較現實的路徑。他們希望從高能物質甲醇出發，這也是含有一個碳原子的化學物質，實現淀粉的合成。相當于把光合作用門檻最高的環節給規避過去。

但即便如此，這個合成路線也還是很困難的——

分別看的話，從碳1到碳3，從碳3到碳6，從碳6到碳無窮，科學家們都已經積累了大量的研究素材，數據庫里就能找到不少現成的、可以直接用的合成路線。但問題是，這些反應之間并不總是能夠融洽的相互配合。

比如，甲醇能夠在甲醇脫氫酶的作用下變成甲醛，而甲醛在幾個酶的催化下可以變成剛剛我們提到的碳3物質——3-磷酸甘油醛。但問題是，這兩個反應如果放到一起，就會互相干擾，不能順利的從碳1得到碳3。

因此，研究者們花費了大量的精力，首先選出大量的候選化學反應模塊，然后用它們在三個合成步驟之間反復的拼搭，最終才湊出了一個效率令人滿意的合成路線。整條路線一共有10步由酶催化的化學反應構成。

在這之后，研究者們又繼續在這條路線上優化。他們找到了這條路線的限速步驟，也就是反應最慢、拖慢了整體合成效率的幾個環節，然后人工改造了負責這些環節的三個酶分子，最終將整體合成效率又提高了7.6倍。單單考慮淀粉的生成速度的話，這個人工反應體系的效率已經和植物合成淀粉類似了。

這當然已經是巨大的技術進步。它證明了，科學家們通過人工組裝和修改反應路線圖，能夠在非生物條件下實現重要生物大分子的合成。

但事情還沒完。我們剛剛也提到，光合作用里門檻最高、最復雜、耗能也最多的步驟，其實是捕獲和固定空氣中濃度很低的二氧化碳，把這種氣態分子里的碳原子截留下來，用來合成碳3物質。而研究者們的合成起點是甲醇，等于是戰略性的繞過了最難的步驟。

那有沒有辦法把這一步補上呢？

必須得說，人類已經做過很多嘗試，但至今，還沒有哪個辦法能夠接近生物體利用光能捕獲二氧化碳的水平。其中一個相對接近的思路是這樣的：

先用太陽能發電，再用電分解水產生氫氣和氧氣，然后把氫氣和二氧化碳在高溫高壓下混合，生產甲醇。整個步驟雖然長得不像光合作用，但實現的目標是類似的，就是把太陽能轉換成化學能，儲存在甲醇內部。之后，甲醇可以直接燃燒供能，也可以作為化工原料使用。這個方法是2017年中科院大連化學物理所的科學家們開發的 [7]，也被他們形象地叫作“液態陽光”，因為太陽能被儲存到了液態的甲醇內部。

在我們這次介紹的工作中，研究者們就把兩項研究拼接組合到了一起。用“液態陽光”技術生產甲醇，模擬了光合作用最難的第1步的一半；然后再用他們自己設計優化的合成路線，用甲醇制造淀粉，模擬了光合作用剩下的2.5步。這就是新聞標題“用空氣做饅頭”的來歷。

在我看來，這項研究最核心的價值是，研究者們證明了，人類可以在實驗室里人工的篩選、組裝、設計和優化各種復雜的生物化學反應。

它既可以用來在實驗室里模擬生物內部本來就有的某種能力，比如合成淀粉；未來，也可以用來優化這種能力，比如根據實驗結果改造植物，更有效率的合成淀粉；甚至是創造生物體根本不具備的能力，比如開個腦洞的話，讓植物生產塑料和橡膠也不是不行。因此，即便不考慮淀粉這個特別吸引眼球的因素，這項研究的價值仍然是很大的。

但說到“用空氣做饅頭”，可能就不是這項研究本身能解決的問題，甚至可能都不是一個特別有價值的方向了。

首先，空氣中二氧化碳的濃度極低，人工的收集壓縮本身就需要耗費大量的能量。要是單純用來降低大氣溫室氣體，或者用來制造價值更高的化學品，比如儲能物質甲醇，也許是合適的；如果用來生產本就成本低廉的淀粉，實在是有點南轅北轍。

即便未來人類移民火星，那里的大氣層幾乎全部是二氧化碳，那大量合成甲醇以后，完全可以用甲醇直接培養酵母等微生物，直接拿微生物當食物，還是不需要用甲醇合成淀粉。

還有，如果未來真有一天，我們需要創造不依賴植物的糧食生產途徑，那更合適的手段可能也是，把經過實驗室驗證和優化的合成路線重新放到微生物體內，讓微生物幫助我們完成復雜物質的合成制造，效率可能還會進一步提高。

類似的例子就是，人類用細菌而不是純化學合成的方法，幫助我們生產胰島素。畢竟，我們可以直接把細菌改造成一個酶工廠，這樣總比把每種酶單獨提純再組合起來有更高的效率。