我国科学家突破二氧化碳人工合成淀粉技术，这一突破对当下及未来会产生哪些影响？ 第1页

颠覆性科技，“喝西北风”也许会成为fashion（哈哈）

本文为文章解读， @中国科普博览 还从另一个角度，邀请该Science论文的研究团队做了解读，或许能够解决很多人的一些疑惑，可以移步到这里：

从官方的评价来看：

继上世纪60年代在世界上首次完成人工合成结晶牛胰岛素之后，中国科学家又在人工合成淀粉方面取得重大颠覆性、原创性突破——国际上首次在实验室实现二氧化碳到淀粉的从头合成

这是我国科学领域的第二次巅峰突破，合成的可是淀粉这种复杂有机物，这也是我们粮食的主要成分！

这篇论文题目是《Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide》

我们从题目中可以看出，这个合成最大的特点是：不使用细胞（cell-free）。因为在自然界中，用细胞是可以从二氧化碳来合成淀粉的，相信你一定知道，这就是著名的光合作用嘛。

但是，光合作用的问题是，必须要有叶绿体的细胞生物才能完成，对于地球上绝大多数生物来说，这就是植物以及部分动物，那要求就非常的多了。

而这次研究的特点就是：纯工业/实验室合成。

这个研究的路线图如下

简单的说一下，这个实验的做法是：

首先将二氧化碳用无机催化剂还原为甲醇。

然后甲醇被转换成为三碳

接下来是三碳合成六碳

最后，聚合成为淀粉。

和标准天然淀粉对比，其结构基本一致

无论是吸收峰，还是核磁共振信号，都佐证了这种合成和天然淀粉非常接近了。

下图是合成的淀粉实物图。

————有多大的意义————

我们从小往大来说：

1，步骤简单

这次合成只需要了不多的步骤，而与之对比，自然界中生物从二氧化碳合成淀粉，需要大约60个生化反应，且需要复杂的生理调节。

而这个人工合成，大概11个步骤。

这里需要特别注意的是，科学家们并不是将60多步删删减减，就得到11步，而是重新设计出了一条路。
他们首先从很多种生物的生物化学反应中，计算出了一条极简路径，但是这个路径是计算出来的，实际操作中各个步骤之间不太兼容，比如所需要的反应条件不太一样。科学家们又通过模块化思维，选择不同的反应过程，才摸索出了这条11步的反应路径。

2，速度快，效率高

这次实验室合成的速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍

In a chemoenzymatic system with spatial and temporal segregation, ASAP, driven by hydrogen, converts CO2to starch at a rate of 22 nanomoles of CO2per minute per milligram of total catalyst, an ~8.5-fold higher rate than starch synthesis in maize.
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。这条新路线使淀粉生产方式从传统的农业种植向工业制造转变成为可能，为从CO2合成复杂分子开辟了新的技术路线。

此外，根据报道，其效率也高，自然界合成淀粉的效率约为2%（玉米），而工业合成效率可以达到10%以上。

受天然光合作用的启发，科研人员在太阳能分解水制绿氢的技术上，进一步开发了高效的化学催化剂，把二氧化碳还原成甲醇等更容易溶于水的一碳化合物（也就是C1），完成了光能——电能——化学能的转化，该过程的能量转化效率超过10%，远超光合作用的能量利用效率（2%），也为后续进一步采用生物催化合成淀粉奠定了理论基础。

3，远景

解决农业问题，民以食为天，一直以来，农业问题关乎了人类的生死存亡。而采用这种工业办法，可以解决农业所需的耕地、淡水资源，也能够避免农药和化肥等的使用，改善粮食安全。

我国的耕地面积为150多万平方千米,占国土面积的16%左右，也就是说，不到五分之一，剩下五分之四的国土面积都是不能作为耕地的，这也使得我国的粮食问题一直非常严峻。

有了这种技术，高山峡谷，沙漠，冰原，这些地方都可以成为农业产地。

自古以来我国的漕运体系，都是需要非常忙碌的转运粮食等物资，而有了这项技术，北方甚至更北的地方直接可以生产淀粉了，那南北的差距也可以得到很好的缓解。

4，温室问题？全球变暖呢？

全球变暖可以说是这些年来一直困扰全人类的问题

让很多人一直担忧，而造成全球变暖的核心因素在于二氧化碳这种温室气体。

工业生产，汽车排放等等都是导致二氧化碳增多的因素，虽然植物一直在持续固定二氧化碳，但是还是比不上二氧化碳的排放。

但是有了这种技术，那直接把二氧化碳固定下来，这效率比农业和植物快多了，那是不是温室气体问题就可以解决了？

5，更遥远的未来

空间站，甚至走向宇宙都是可以解决的。

过去我们预想中的解决宇宙远行问题，必须携带粮食，要不就是让人类进入冬眠来减少能量消耗。

而即便进入了宇宙深处，只要醒来，那总是需要粮食的。

所以才有了很多外星种田的科幻，比如去火星种土豆的《火星救援》。

可是有了人工合成淀粉，那这些问题都可以得到很好的解决，甚至在不毛之地，只要有二氧化碳和相关材料，直接合成淀粉。

比如，火星大气主要是二氧化碳，比例高达96%，那简直是新的粮仓啊。

而且，二氧化碳本身还是人体代谢的废物，可以直接循环起来。

6，一个问题：能量！

淀粉到二氧化碳，是一个逐步放能的过程。

然后葡萄糖再变成二氧化碳

而这一步相当于逆流而上，必然需要能量。

那么，能量从何而来？

其实，和很多人想象的不同，这个研究的重大意义之一，就在于，他们采用的能量就是太阳能。

这也是本文的另一个合作单位中科院大连化物所的“液态阳光”。

把太阳能变成液体燃料，科学家们形象地称其为“液态阳光”。这一技术是有中科院大连化物所的李灿院士主导研究。

当然，这里的能耗肯定要超出这个需求，所以需要额外能源。目前研究很多的新能源，尤其是核能了，希望50年能够实现可控核聚变。

最后，我想一定会有人说，这技术离应用还早呢，这是必然的，但是这种重要性，相信谁都看得到。

曾有一个贵妇人质问电的发现者法拉第:“电有什么用呢?”法拉第巧妙地反问道:“新生婴儿有什么用呢?”

ps：不要轻易觉得自己比science聪明哈

论文链接：DOI：10.1126/science.abh4049

出品：科普中国

制作：李雷

监制：中国科学院计算机网络信息中心

只要能量产，并不需要核聚变。我国所有耕地一年需要的太阳能约等于我国一年总发电量。

农作物的光合作用效率大概在2%，而且合成了大量不能吃的根茎叶，真正到能吃的部分效率不足1%。

如果能用电能以10%的效率转化为淀粉，效率提高了10倍，那么只需要10%的电能就能喂饱全国人。

只要停止出口工业品，省下来的电就够吃了。

讲实话我看了也不少科幻作品。

这个脑洞好像没有看到哪个科幻作者开过。

太强了。硬科幻都不敢这么想，跟魔法一样。

这个似乎没见科幻小说写过，真感慨，技术革命总是超越想象，总能突破常人线性思维！总想着在外星种地种菜什么的，原来还可以就地取材，金星火星都有大量二氧化碳，尤其金星。

我之前幻想的科技解决粮食问题是核聚变之后，电价巨便宜，就可以不依赖土地在工厂用灯光模拟日光种地了，还是天真了，想象力贫乏了。

什么叫降维打击！这就是典型的降维打击！

中国科学家nb

这是一次重要的洗牌，我们有望在这一领域开始制定新的规则，也是人类福音，地球承载人类数量将大幅度提高，对地球环境更是福音。

技术细节不懂。貌似在特殊场合下有一定用处。

资本发现了新处女地盛宴的感觉。

1、反对转基因。

2、所以，也反对合成淀粉进入人类食品链。

3，反对放卫星。媒体跟着瞎起哄。

4、在mRNA技术成熟前，反对大规模推广mRNA疫苗。

5、继续坚持18亿亩红线。

6、宁吃地里一口草，不吃反应皿里一块肉。

谢邀。

详细的科学原理的点评其他答主已经写得很到位了。

简单来说，这项研究的意义在于对无细胞生化工业有巨大的积极推动作用。

人类收集的可以用于工业应用的高浓度二氧化碳来自工业生产，而不是西北风，主要就是化石能源的燃烧。化石能源里的碳过去排放就排放了，进入大气，植物无法固定那么多，造成大气二氧化碳浓度不断上升，全球变暖。化学固定二氧化碳这些年是个研究热点，就是二氧化碳不需要排放到大气，直接固定下来。比如二氧化碳固定为甲醇，最近连续几年不断有新的突破。

甲醇本身是有工业价值的，但是用二氧化碳固定这个来源不划算。如何把甲醇再转化为其它高价值有机物，以提高人工固碳的技术价值。就成了问题，这个时候无细胞生化反应是一个路子。就是把细胞拆开，把需要的酶分离出来，经过重组、优化重新设计一个新的、不依赖细胞框架的生化反应的途径和场景。这种新途径可以把甲醇转化为高价值产品，比如生物体可以消化利用作机体能源的淀粉。

因此在我看来，这项成就在应用上的意义，是把化石能源转化为潜在食物，利好国际油价。

无细胞生化工业不能说过去没有，但是规模化应用的都非常简单。实验室里一些看起来很“魔法”的成果只能在实验室里玩，比如隔壁实验室一个智利小哥，把一些核酸和酶兑一兑，就能制造出生物塑料，但成本很高。

当然，生化工业的潜力，那是非常大的，大家中学可能都学过，酶这个东西的催化能力不得了，难在如何创造一个能让酶释放出其能力的反应环境，设计出能和细胞媲美的无细胞体系往往是很难的。是用人类的理性力量去比以亿年为单位打磨出来的生物演化结果。

这个领域现在确实需要一些能够生产高价值产品的技术出现，特别是有新闻性的重大突破去吸引产业界、投资界的注意，加速科研投入和转化，促进工业化。如果能大发展起来，拔高一点儿说是人类工业文明的一个新阶段。如果再结合近些年发展迅速的蛋白质理性设计、定向进化（让酶主动适应人工环境和催化目的），说人类工业看到了希望进入“生化时代”应该不过分吧。人类在科幻电影安排那种冒着绿光的大生化反应容器有些年头了，但今天仍然在为进入生化工业时代努力。

中国有科技有突破了是吧？好办。

花点钱，造点谣，把搞出来的淀粉污名化。

哪怕和自然淀粉100%完全一样，媒体魔术师都能给你变出个致癌物来。

用于工业？

转基因用于工业能源的多了去了，被放过了吗？

谁理你。听起来能不能吃，能吃就造谣，造完你就是劳民伤财。

国内造谣，让你无法消化产出。

“****淀粉致癌”

往老年朋友圈一发，你们这些网上叱咤风云的科普大V们别管在外面说服多少人，回到家一样会用平时最不屑用的粗俗语言掰开揉碎的讲。就这还不一定讲明白。

全世界造谣，让你无法出口。

把他们曾经做的事作为模板，往上一套。生化种族灭绝套餐走起。看是我造谣更花钱，还是你辟谣更花钱。你辟谣成功了，腿也累断了。我们再用模板造下一个，连想象力都不需要。

最后再春秋笔法，说国外有更好的，说你沸腾了，说看不见实效劳民伤财了。再夹叙夹议得抱怨点肉价房价。嚯，好好的讨论又变成赢来赢去的局面了。

搞不好以后这淀粉叫做战狼淀粉

不为别的，就为拖延你商业化的进度。这项研究最终商业化越慢，越能撬动舆论。

什么？真金不怕火炼？科学迟早会赢？

对啊，没错啊。

问题是谁要炼你了？谁会在你身上废柴？

那些即将到来的谣言，是毫无成本的。

而你累死累活要探索人类文明边疆的。你是伟大了，但我投得少回报高呀。

希望那些爱讲固碳的大V这时别选择性不站出来。你有权不做任何事，但无权得到无条件的信任。

淀粉由许多葡萄糖单元通过糖苷键连接而成，是粮食的主要成分，是人和畜禽重要的食物能量来源，也是广泛应用的工业原料（造纸、塑料等），目前主要由玉米、小麦、红薯等农作物通过光合作用固定二氧化碳产生。在植物体内，这个过程涉及大约 60 步生化反应、复杂的生理调节，理论上总体能量转换效率在 2% 左右。

题目谈论的事件是，中科院天津工业生物技术研究所的科学家们设计了由来自多种生物的工程重组酶催化、主要包含 11 步化学反应、用二氧化碳和氢气合成淀粉的合成路线。二氧化碳首先被无机催化剂还原为甲醇，然后被酶转化为三碳和六碳糖单元，进而聚合为淀粉。该路线的理论能量效率为 7%，在氢气驱动下，每分钟每毫克催化剂产生的淀粉的量理论上可以达到同样指标下植物理论性能的 8.5 倍（用这个作为指标是胜过大田种植农作物的），值得称赞。

不过，“农作物自行取得太阳光能”与“人为朝生物反应器供应能量”是不太一样的，后者能源密集，且涉及现代发电与传输过程的各种成本与损耗。在不考虑能量来源的情况下，一立方米生物反应器的淀粉年产量理论上可以相当于种植 1/3 公顷玉米的淀粉年产量——你看看这个前提好了。

目前，用这项技术生产淀粉的总成本远高于通过农作物生产同样多的淀粉。

你可以称赞我国科学家“为创建具有自然界前所未有的功能（例如从甲醇合成淀粉）的生物系统提供了新的科学基础”，“如果未来能将总成本降到跟种植农作物相似的话”就可以谈“节约种植农作物所用的淡水和耕地约 90%，并避免使用农药、化肥等污染环境”，进而在未来帮助改善人类的粮食安全、促进碳中和生物经济和长远来看可持续发展的社会。

如果你喜欢，还可以谈“二十一世纪毕竟还是可能是生物的世纪的”。

在这里谈“可控核聚变”是不适当的。输出小于输入的可控核聚变早已实现，那不能用来供应能量。输出大于输入的可控核聚变即使能实现，在近未来不考虑技术奇点的情况下其电价将是非常高的，很难与太阳能、风能、水能之类竞争。这是在说，即使没有可控核聚变，人工制造糖类的技术的有效性也不会有任何减损。

利用人工收集的太阳光能将二氧化碳固定为有机物实际上属于“人工光合作用”。寻找效率更高的合成路径或更适合的产物，将效率推到人工光合作用商业化所需的 20% 以上，也是可行的思路。你不一定要关注淀粉，合成到葡萄糖（作为食物）或乙醇（作为燃料）为止试试看。

此类反应所需的氢气可以由太阳光分解水（直接分解和转换为电能再电解都可以）来提供。

• 中科院大连化学物理所的研究人员通过精确调控钒酸铋光催化剂氧化和还原反应晶面的暴露比例，使光催化水氧化反应性能得到优化，在 Fe3+/Fe2+ 离子对作为储能介质的条件下，从太阳能到氢能的转化效率超过 1.8%；该反应的理论最高效率可达 15% 以上。

二氧化碳本来就可以合成淀粉，大家更关心的是能耗的问题，能否公布下能耗和能源来源？让大家看看可行性如何？

私以为最佳的降碳方式还是开源节流。一方面搞工业式的农业种植，速生草本、木本特别是海洋种植搞起来，加速生物固氮；培养和发现微生物催化固碳，提升生物固碳的效率。这些基本依靠太阳能，属于清洁生产。另一方面减少化石染料作为能源的使用，人工干预极地、冰川区的沼气、天然气等地下温室气体的排放，设法堵上那些坑洞，我不信人类真的没有办法。或者，设法收集那些气体作为资源使用。实在不行，点把火烧了它，让它们从甲烷变成二氧化碳，也可以大大减小其温室效应。

如果二氧化碳合成淀粉依赖的还是电能等传统能源，那这种技术就毫无意义，纯粹是骗资金的项目。