【凭“空”造淀粉？五问人工合成淀粉新成果】#我国科学家突破人工合成淀粉技术#淀粉在日常生活中几乎随处可见，烹饪调味料、护肤化妆品、杂志封面纸、胶囊外壳、棉纱纺织……无一不用到淀粉。近期，中国科学院天津工业生物技术研究所（以下简称天津工业生物所）的科研团队经过6年探索，在实验室里首次实现了淀粉分子的人工合成。
这是国际上首次创建出电/氢能驱动二氧化碳从头合成淀粉的途径，比自然路线反应步数更少、淀粉合成速率更快。就与成果相关的一些问题，《中国科学报》采访了科研人员。
一问：为什么要合成淀粉
淀粉并非稀缺资源。想得到淀粉，最简单的方法是直接从玉米、薯类等农作物中提取。那么，科研人员为什么还要费时费力地合成淀粉？
“我们是想把非常慢的、大面积种植的农业过程，变成高效的、集中化的工业过程。”论文第一作者、天津工业生物所副研究员蔡韬告诉《中国科学报》，“农作物生长周期长、需要大面积种植，而且用于提高产量的各种育种技术已进入平台期，如何更高效地生产淀粉成为一个巨大挑战。”
长久以来，为了提高农作物产量，科学家探索出了杂交育种、分子育种等各种遗传育种方法。在遗传育种将农作物产量向极限提升的同时，生物合成技术也受到关注。
2015年，国际纳米材料科学家杨培东构建出了一套“人工光合作用”系统，通过纳米线和细菌组成的系统，模拟自然界的光合作用，把二氧化碳和水转变成碳水化合物。2018年，美国国家航空航天局（NASA）发起了名为“二氧化碳转化挑战赛”的“百年挑战计划”，希望能将火星上最充足的资源——二氧化碳，转化成葡萄糖等有用的化合物，以满足人类在火星上生存和生活所需。
从2015年开始，天津工业生物所科研团队启动了人工合成淀粉项目。“之所以选择做淀粉的人工合成研究，是因为淀粉很重要。它是农耕文明的核心分子，提供了人类生存所需的热量。”蔡韬说。
“全球以淀粉为原料的产品大约有3万多种，我们如何找到更廉价、更大量的替代淀粉？这项研究已经迈出了重要一步。”未参与此项研究工作的中国工程院院士岳国君评论说。
二问：淀粉是怎么被合成出来的
“我们的整体设计思路是将热电厂和水泥厂排放的高浓度二氧化碳分离出来作为原料，将低密度太阳能转化为高密度电/氢能作为能源，形成简单的碳氢化合物，然后设计出从碳氢化合物到淀粉的生物合成过程。”蔡韬说。
早在2015年，科研团队就确定了这一设计思路。此后6年里，在二氧化碳电/氢转化甲醇技术基础上，科研团队一直在摸索从碳氢化合物到淀粉的生物合成路径。
“淀粉是一种复杂有机物，它的合成也是一个复杂过程，我们要将其变成一个简单过程。”蔡韬说。
最初，他们在从二氧化碳到淀粉的6568个生化反应中，计算出了一条最短的合成途径。这条途径共有11步主反应，大致是先做化学反应——利用高密度电/氢能将二氧化碳还原为碳一化合物，再做生物反应——将碳一化合物聚合为碳三化合物、碳六化合物（即葡萄糖）直至长链淀粉分子。
但这只是一条理论的虚拟途径，科研团队必须在现实中把这条路走通。“计算出来的途径中，很多酶的组合在现实中从来没有出现过。”蔡韬说，不同的酶“脾气秉性”不同，它们组合在一起之后会产生一些不可控的问题。
例如，生物合成的第一步是要从碳一化合物合成出碳三化合物，而此前国内外的研究成果一直存在合成产物不可控的问题，从碳一化合物可能会生成碳二、碳三、碳四化合物甚至更多碳的碳氢化合物。于是，他们从头设计碳碳缩合酶新序列，创建出了非自然的碳碳缩合酶，以促成从碳一化合物到碳三化合物的聚合，最终成功实现了从甲醛到2—羟基丙酮的可控生化反应。
与此同时，他们还进一步改造来自动物、植物、微生物等不同物种的生物酶催化剂，构建从2—羟基丙酮到葡萄糖异生代谢、多糖聚合功能模块，组装复杂的生化级联反应体系，通过蛋白别构调控改造、反应时空分离优化，解决人工途径中底物竞争、产物抑制、热动力学匹配等问题。
经过各种优化，科研团队成功将从二氧化碳到淀粉的合成途径简化至11步，并实现了精准调控。“这就是我们最初的梦想——凭空制造，随心所欲。”论文通讯作者，天津工业生物所所长、研究员马延和说。
三问：人工合成淀粉跟自然淀粉一样吗
“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。”马延和表示，自然淀粉是直链淀粉和支链淀粉混在一起，目前实验室里合成的主要是直链淀粉，合成的支链淀粉没有自然淀粉中的支链淀粉那么复杂。
“在外观上，人工合成淀粉跟从玉米、薯类等农作物中提纯出来的淀粉看起来是一样的。”蔡韬说，实验室里通过人工合成产生的淀粉处于溶解状态，“是比较稀的淀粉糊糊，干燥后会变成粉状”。
科研人员对淀粉的基本判断方法是在溶液中加碘液，直链淀粉遇碘呈蓝色，支链淀粉遇碘呈紫红色。此外，他们还专门对合成物进行了理化分析。“通过核磁共振等检测，它和自然生产的淀粉一模一样。”蔡韬说。
四问：有可能实现工业化生产吗
作为一项基础研究领域的原创性突破，人工合成淀粉仍处在实验阶段。那么，未来它是否有工业化生产的可能？对此，科研人员表示，有潜力也有挑战。
“实验室里合成出淀粉大约需要4个小时。就人工合成淀粉的途径来看，从太阳能到淀粉的能量效率是玉米的3.5倍，淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。”蔡韬说。
他告诉记者，在实验室里，规模还比较小，平均1小时能合成出的淀粉只有几克，但是按照目前的技术参数，在能量供给充足的条件下，1立方米的生物反应器年产淀粉量相当于5亩土地玉米种植的淀粉平均年产量，这为淀粉生产的车间制造提供了可能。
“如果人工合成淀粉示范可以达到理论能量转换效率的80%，那么10度电大约可以合成1千克淀粉。”马延和说。
同时，蔡韬也直言，产业化应用还有很大挑战。一方面，在工程生物学基础理论和工程设计方面还有问题要解决；另一方面，就经济性而言，从控制过程成本初步计算，只有二氧化碳到淀粉合成的电能利用效率再提高数倍，淀粉合成的碳素转化速率再提高数十倍，才能与农业种植竞争。因此，实现工业化生产，还需解决诸多的科技难题。
五问：接下来还要做什么
“我们做的是应用导向的基础研究，目前取得的只是阶段性进展，后面还面临着很多难题。”蔡韬表示，科研团队已经迈出了第一步，即从理解细胞的基础代谢原理到设计细胞外生物化学反应途径。接下来，他们还要建立从二氧化碳到淀粉的可控网络和生态系统，并尝试在细胞内实现淀粉的人工合成。
产业化也是他们努力的方向。“我们计划在未来5至10年内，建立工业示范，以工业尾气为原料，利用光伏等可再生电源分解水提供氢气，在化学反应器中进行二氧化碳高效还原，在生物反应装置中合成淀粉。”马延和说。
此外，蔡韬表示，目前研究团队规模尚小，希望与相关研究所、大学和企业等创新力量加强合作，推进人工合成淀粉工程化进程。
“中国科学院将集成相关科技力量，一如既往地支持该项研究深入推进。”中国科学院副院长、中国科学院院士周琪表示，后续研究团队还需要尽快实现从“0到1”到“1到10”的突破和“10到100”的突破，最终真正解决人类发展面临的重大问题。@中科院之声 https://t.cn/A6Mb7nhs
这是国际上首次创建出电/氢能驱动二氧化碳从头合成淀粉的途径，比自然路线反应步数更少、淀粉合成速率更快。就与成果相关的一些问题，《中国科学报》采访了科研人员。
一问：为什么要合成淀粉
淀粉并非稀缺资源。想得到淀粉，最简单的方法是直接从玉米、薯类等农作物中提取。那么，科研人员为什么还要费时费力地合成淀粉？
“我们是想把非常慢的、大面积种植的农业过程，变成高效的、集中化的工业过程。”论文第一作者、天津工业生物所副研究员蔡韬告诉《中国科学报》，“农作物生长周期长、需要大面积种植，而且用于提高产量的各种育种技术已进入平台期，如何更高效地生产淀粉成为一个巨大挑战。”
长久以来，为了提高农作物产量，科学家探索出了杂交育种、分子育种等各种遗传育种方法。在遗传育种将农作物产量向极限提升的同时，生物合成技术也受到关注。
2015年，国际纳米材料科学家杨培东构建出了一套“人工光合作用”系统，通过纳米线和细菌组成的系统，模拟自然界的光合作用，把二氧化碳和水转变成碳水化合物。2018年，美国国家航空航天局（NASA）发起了名为“二氧化碳转化挑战赛”的“百年挑战计划”，希望能将火星上最充足的资源——二氧化碳，转化成葡萄糖等有用的化合物，以满足人类在火星上生存和生活所需。
从2015年开始，天津工业生物所科研团队启动了人工合成淀粉项目。“之所以选择做淀粉的人工合成研究，是因为淀粉很重要。它是农耕文明的核心分子，提供了人类生存所需的热量。”蔡韬说。
“全球以淀粉为原料的产品大约有3万多种，我们如何找到更廉价、更大量的替代淀粉？这项研究已经迈出了重要一步。”未参与此项研究工作的中国工程院院士岳国君评论说。
二问：淀粉是怎么被合成出来的
“我们的整体设计思路是将热电厂和水泥厂排放的高浓度二氧化碳分离出来作为原料，将低密度太阳能转化为高密度电/氢能作为能源，形成简单的碳氢化合物，然后设计出从碳氢化合物到淀粉的生物合成过程。”蔡韬说。
早在2015年，科研团队就确定了这一设计思路。此后6年里，在二氧化碳电/氢转化甲醇技术基础上，科研团队一直在摸索从碳氢化合物到淀粉的生物合成路径。
“淀粉是一种复杂有机物，它的合成也是一个复杂过程，我们要将其变成一个简单过程。”蔡韬说。
最初，他们在从二氧化碳到淀粉的6568个生化反应中，计算出了一条最短的合成途径。这条途径共有11步主反应，大致是先做化学反应——利用高密度电/氢能将二氧化碳还原为碳一化合物，再做生物反应——将碳一化合物聚合为碳三化合物、碳六化合物（即葡萄糖）直至长链淀粉分子。
但这只是一条理论的虚拟途径，科研团队必须在现实中把这条路走通。“计算出来的途径中，很多酶的组合在现实中从来没有出现过。”蔡韬说，不同的酶“脾气秉性”不同，它们组合在一起之后会产生一些不可控的问题。
例如，生物合成的第一步是要从碳一化合物合成出碳三化合物，而此前国内外的研究成果一直存在合成产物不可控的问题，从碳一化合物可能会生成碳二、碳三、碳四化合物甚至更多碳的碳氢化合物。于是，他们从头设计碳碳缩合酶新序列，创建出了非自然的碳碳缩合酶，以促成从碳一化合物到碳三化合物的聚合，最终成功实现了从甲醛到2—羟基丙酮的可控生化反应。
与此同时，他们还进一步改造来自动物、植物、微生物等不同物种的生物酶催化剂，构建从2—羟基丙酮到葡萄糖异生代谢、多糖聚合功能模块，组装复杂的生化级联反应体系，通过蛋白别构调控改造、反应时空分离优化，解决人工途径中底物竞争、产物抑制、热动力学匹配等问题。
经过各种优化，科研团队成功将从二氧化碳到淀粉的合成途径简化至11步，并实现了精准调控。“这就是我们最初的梦想——凭空制造，随心所欲。”论文通讯作者，天津工业生物所所长、研究员马延和说。
三问：人工合成淀粉跟自然淀粉一样吗
“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。”马延和表示，自然淀粉是直链淀粉和支链淀粉混在一起，目前实验室里合成的主要是直链淀粉，合成的支链淀粉没有自然淀粉中的支链淀粉那么复杂。
“在外观上，人工合成淀粉跟从玉米、薯类等农作物中提纯出来的淀粉看起来是一样的。”蔡韬说，实验室里通过人工合成产生的淀粉处于溶解状态，“是比较稀的淀粉糊糊，干燥后会变成粉状”。
科研人员对淀粉的基本判断方法是在溶液中加碘液，直链淀粉遇碘呈蓝色，支链淀粉遇碘呈紫红色。此外，他们还专门对合成物进行了理化分析。“通过核磁共振等检测，它和自然生产的淀粉一模一样。”蔡韬说。
四问：有可能实现工业化生产吗
作为一项基础研究领域的原创性突破，人工合成淀粉仍处在实验阶段。那么，未来它是否有工业化生产的可能？对此，科研人员表示，有潜力也有挑战。
“实验室里合成出淀粉大约需要4个小时。就人工合成淀粉的途径来看，从太阳能到淀粉的能量效率是玉米的3.5倍，淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。”蔡韬说。
他告诉记者，在实验室里，规模还比较小，平均1小时能合成出的淀粉只有几克，但是按照目前的技术参数，在能量供给充足的条件下，1立方米的生物反应器年产淀粉量相当于5亩土地玉米种植的淀粉平均年产量，这为淀粉生产的车间制造提供了可能。
“如果人工合成淀粉示范可以达到理论能量转换效率的80%，那么10度电大约可以合成1千克淀粉。”马延和说。
同时，蔡韬也直言，产业化应用还有很大挑战。一方面，在工程生物学基础理论和工程设计方面还有问题要解决；另一方面，就经济性而言，从控制过程成本初步计算，只有二氧化碳到淀粉合成的电能利用效率再提高数倍，淀粉合成的碳素转化速率再提高数十倍，才能与农业种植竞争。因此，实现工业化生产，还需解决诸多的科技难题。
五问：接下来还要做什么
“我们做的是应用导向的基础研究，目前取得的只是阶段性进展，后面还面临着很多难题。”蔡韬表示，科研团队已经迈出了第一步，即从理解细胞的基础代谢原理到设计细胞外生物化学反应途径。接下来，他们还要建立从二氧化碳到淀粉的可控网络和生态系统，并尝试在细胞内实现淀粉的人工合成。
产业化也是他们努力的方向。“我们计划在未来5至10年内，建立工业示范，以工业尾气为原料，利用光伏等可再生电源分解水提供氢气，在化学反应器中进行二氧化碳高效还原，在生物反应装置中合成淀粉。”马延和说。
此外，蔡韬表示，目前研究团队规模尚小，希望与相关研究所、大学和企业等创新力量加强合作，推进人工合成淀粉工程化进程。
“中国科学院将集成相关科技力量，一如既往地支持该项研究深入推进。”中国科学院副院长、中国科学院院士周琪表示，后续研究团队还需要尽快实现从“0到1”到“1到10”的突破和“10到100”的突破，最终真正解决人类发展面临的重大问题。@中科院之声 https://t.cn/A6Mb7nhs
无常
要理解无常就得要懂什么叫常，常者就是不变，相对论当中反转过来无常就没有常，常就是永恒不变就称为常，无常就是没有常的。世间上没有常法，只有无常，任何东西都在无常，任何东西都在成住坏空之中，有情决定死，无情决定灭，就是这么一个道理。有生命必定要死，无生命必定要灭，不管你什么金刚石也好，只有一天天化，只有一天天地烂，这就叫做无常。
世界无常故，有情决定死，无情决定灭，因缘和合生，万法如梦幻，离散无名相，善因呈福果，恶为显怖报。我们所居的这个世界上的万事万物，无论是精神方面的，还是物质方面的，一切都是无常性的，也可以说，宇宙间的一切都具无常性，所以叫世界无常故。
所谓无常，就是指所有一切有生命的生物，都是必定要死亡的，如各种动物、飞鸟、细菌等等，一天天进入老，慢慢就生病，最后就死了。而一切无情之物体，即无生命的东西，如我们现实世界中的房屋、汽车、衣服、鞋子等等所有一切，也是必定要坏灭的。
这个坏灭是慢慢进行的，而不是一下就灭了，但终究它是要灭的。几年不灭，几十年要灭，几十年不灭，几百年要灭，几百年不灭，就几千年灭，总得要灭，任何东西都必定要灭，这是定义，宇宙间的一切都是如此，所以叫无常。
也就是说，宇宙间没有永恒不动的东西，一切都在成住坏空的变化之中，这就是整个世界精神和物质现象存在的科学观之真谛。那么，这些东西是怎样来的呢? 是因缘和合而产生的，他们之间因缘聚会就和合起来，就存在了。
比如录音机，就是由集成电路、塑料外壳、微型电动机、电线、喇叭、液晶显示板等众多元器件组成的，这些因缘和合起来才能成为录音机。人同样如此，是父精母血合化外加灵知心识生命，这些因缘和合才有的。
总之，万事万物都是缘起和合就成立，因缘离散则不存在，亦即离散无名相之意。就正如录音机，如果将集成电路、塑料外壳、微型电动机、电线、喇叭、液晶显示板等元器件一一分开，就不再有录音机这个东西存在了，再如我们所住的房屋，把它拆散以后，那么也就没有房子这个概念了，而只剩下一些钢筋、水泥、砖头、瓦片、装饰用的墙纸等等，就是说，正是由于这些各种各样的东西组合在一起，才有房子这个名词，有名有相出现，而在因缘离散的时候则没有了，这属于一种析空观的论谛。
所以说万法终归空。明白这个道理以后，我们应该知道，世界上的一切均是由因果关系而组成的一种因缘和合名相假体，故善因显福果，恶为显怖报。
即是说，我们做的一切好事，显现的绝对是福报，比如一个人，具有丰富的学识，同时又爱国爱民，热爱世界和平，德才兼备，这样人们就会选他当领导，他就可更好地为人民服务，这些都是福报的表现。假如说一个人整天就是偷摸拿骗，干违犯法纪的事情，自然会受到法律的制裁，这就是恶为呈怖报。
所以，万法都具无常性，都是因缘和合而生、因缘离散而灭，如梦幻泡影一般。明白这个道理，我们就只能做好事，而不能做任何坏事，也就是凡是对国家、对人类、对世界有益的事情都做，而有损于人类的任何事情都坚决不做。
要理解无常就得要懂什么叫常，常者就是不变，相对论当中反转过来无常就没有常，常就是永恒不变就称为常，无常就是没有常的。世间上没有常法，只有无常，任何东西都在无常，任何东西都在成住坏空之中，有情决定死，无情决定灭，就是这么一个道理。有生命必定要死，无生命必定要灭，不管你什么金刚石也好，只有一天天化，只有一天天地烂，这就叫做无常。
世界无常故，有情决定死，无情决定灭，因缘和合生，万法如梦幻，离散无名相，善因呈福果，恶为显怖报。我们所居的这个世界上的万事万物，无论是精神方面的，还是物质方面的，一切都是无常性的，也可以说，宇宙间的一切都具无常性，所以叫世界无常故。
所谓无常，就是指所有一切有生命的生物，都是必定要死亡的，如各种动物、飞鸟、细菌等等，一天天进入老，慢慢就生病，最后就死了。而一切无情之物体，即无生命的东西，如我们现实世界中的房屋、汽车、衣服、鞋子等等所有一切，也是必定要坏灭的。
这个坏灭是慢慢进行的，而不是一下就灭了，但终究它是要灭的。几年不灭，几十年要灭，几十年不灭，几百年要灭，几百年不灭，就几千年灭，总得要灭，任何东西都必定要灭，这是定义，宇宙间的一切都是如此，所以叫无常。
也就是说，宇宙间没有永恒不动的东西，一切都在成住坏空的变化之中，这就是整个世界精神和物质现象存在的科学观之真谛。那么，这些东西是怎样来的呢? 是因缘和合而产生的，他们之间因缘聚会就和合起来，就存在了。
比如录音机，就是由集成电路、塑料外壳、微型电动机、电线、喇叭、液晶显示板等众多元器件组成的，这些因缘和合起来才能成为录音机。人同样如此，是父精母血合化外加灵知心识生命，这些因缘和合才有的。
总之，万事万物都是缘起和合就成立，因缘离散则不存在，亦即离散无名相之意。就正如录音机，如果将集成电路、塑料外壳、微型电动机、电线、喇叭、液晶显示板等元器件一一分开，就不再有录音机这个东西存在了，再如我们所住的房屋，把它拆散以后，那么也就没有房子这个概念了，而只剩下一些钢筋、水泥、砖头、瓦片、装饰用的墙纸等等，就是说，正是由于这些各种各样的东西组合在一起，才有房子这个名词，有名有相出现，而在因缘离散的时候则没有了，这属于一种析空观的论谛。
所以说万法终归空。明白这个道理以后，我们应该知道，世界上的一切均是由因果关系而组成的一种因缘和合名相假体，故善因显福果，恶为显怖报。
即是说，我们做的一切好事，显现的绝对是福报，比如一个人，具有丰富的学识，同时又爱国爱民，热爱世界和平，德才兼备，这样人们就会选他当领导，他就可更好地为人民服务，这些都是福报的表现。假如说一个人整天就是偷摸拿骗，干违犯法纪的事情，自然会受到法律的制裁，这就是恶为呈怖报。
所以，万法都具无常性，都是因缘和合而生、因缘离散而灭，如梦幻泡影一般。明白这个道理，我们就只能做好事，而不能做任何坏事，也就是凡是对国家、对人类、对世界有益的事情都做，而有损于人类的任何事情都坚决不做。
微博已经被极端民粹和极端反对派占领，同时还充斥着疯狂二极管和跟风小学鸡(网络词汇，没有侮辱小学生的意思)。
我等普通中立的爱国小青年，也可能是小中年，whatever[摊手]，几乎已无立锥之地，分分钟要被某一方所裹挟。
惟愿，那已经被泼得五颜六色的外壳能坚固一点，再一点，让我们的内心还能养得起一株向日葵。
我等普通中立的爱国小青年，也可能是小中年，whatever[摊手]，几乎已无立锥之地，分分钟要被某一方所裹挟。
惟愿，那已经被泼得五颜六色的外壳能坚固一点，再一点，让我们的内心还能养得起一株向日葵。
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