#我国科学家突破人工合成淀粉技术# 人工合成淀粉新突破，“喝西北风”成为fashion的时代还远吗？
近日，我国科学家突破二氧化碳人工合成淀粉技术，这是我国继上世纪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！
这真的是 颠覆性科技，“喝西北风”也许会成为fashion（哈哈）！今天就来和大家解读下这份重大的科技突破~
01，此次合成的特点
—————————
这篇论文题目是《Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide》
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。
02，淀粉合成的意义
————————
淀粉合成的意义，我们从小往大来说：
1，步骤简单
这次合成只需要不多的步骤，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”。这一技术是由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
#微博新知博主# #微博公开课#
近日，我国科学家突破二氧化碳人工合成淀粉技术，这是我国继上世纪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！
这真的是 颠覆性科技，“喝西北风”也许会成为fashion（哈哈）！今天就来和大家解读下这份重大的科技突破~
01，此次合成的特点
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这篇论文题目是《Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide》
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。
02，淀粉合成的意义
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淀粉合成的意义，我们从小往大来说：
1，步骤简单
这次合成只需要不多的步骤，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”。这一技术是由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
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