刊登日期 : 24/09/2021
糧食不再需要土地耕種，而是在生產車間中直接合成，人類從此有了源源不絕的食物，這聽上去是否很科幻？如今，這天方夜譚般的想像正在成為可能。
9月24日淩晨，國際著名學術期刊《Science》刊發了中國科學院天津工業生物技術研究所科學團隊的論文，該團隊成功實現由二氧化碳到澱粉的從頭合成，意味着在人類生活和生產中扮演重要角色的澱粉，可以二氧化碳為原料，通過一系列生物與化學反應，在工業車間中生成。
毋須光合作用 二氧化碳轉變為人工合成澱粉
澱粉是人類飲食中最常見的碳水化合物，同時也是工業生產中的重要原料，澱粉的天然來源是粟米、薯仔、稻米等農作物通過光合作用，將太陽光能、二氧化碳和水轉化而成。但種植農作物耗時費力，不僅需要等待數月時間，還要使用大量土地、淡水、肥料、農藥等等。
長期以來，全球科研人員都在努力改進光合作用這一生命過程，希望提高二氧化碳和光能的利用效率，最終提升澱粉的生產效率。
為此，中科院天津工業生物所的科研人員持續研究6年，成功創造了一條利用二氧化碳和電解產生的氫氣合成澱粉的人工路線，當中涉及11步生化反應，澱粉合成速率是粟米澱粉合成速率的8.5倍。
人工合成澱粉 能量轉化效率遠超植物光合作用
據科學團隊介紹，光合作用的本質是將太陽光能轉化為澱粉中儲存的化學能，因此，他們想出將光能轉化為電能，再轉變成化學能的能量轉變方式，來實現人工合成澱粉。
具體來說，就是通過光伏發電，將光能先轉變為電能，在通過光伏電水解產生氫氣；然後，通過催化劑利用氫氣將二氧化碳還原生成甲醇，將電能轉化為甲醇中儲存的化學能。這個過程的能量轉化效率超過10%，遠超過植物光合作用的能量利用效率。
由於自然界中並不存在甲醇合成澱粉的生命過程，所以科研人員挖掘和改造了來自動物、植物、微生物等31個不同物種的62個生物酶催化劑，並從中甄選10種酶，通過他們的催化，將甲醇轉變成為澱粉。
按照這個路徑，人工不單止可以合成人體易消化的支鏈澱粉，還可以合成消化慢、升糖慢的直鏈澱粉，他們無論是成分還是物理、化學性質，都和植物中提取的澱粉一模一樣。
不僅如此，科學家推算在充足能量供給的條件下，理論上1立方米大小的生物反應器每年產出的澱粉量，可以相當於5畝土地粟米種植的平均年產量。
人工合成澱粉或成「糧食危機」和「氣候暖化」解藥
目前人工合成澱粉研究成果尚處於實驗室階段，離實際應用還有不少科學挑戰，但已經稱得上是顛覆性的突破。自此，澱粉生產就有可能從傳統農業種植模式向工業車間生產模式轉變，人類未來或許不再需要耕種，就可以得到足夠的碳水化合物。
更重要的是，人工合成澱粉為人類解決糧食危機、應對氣候暖化提供新思路。
中科院天津工業生物所副研究員蔡韜指出，如果人工合成澱粉的成本能夠降低到與農業種植相比具有經濟可行性的程度，就可以節約90%以上的耕地和淡水資源，並且避免農藥、化肥等對環境的負面影響，這對中國可持續發展，乃至全人類的溫飽問題，都是一個重大的保障。