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？

空白派

二氧化碳能合成淀粉吗？对这个貌似天方夜谭的问题，中国科学家历时6年多科研攻关给出肯定和详细的答案。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。
由中国科学院天津工业生物技术研究所(中科院天津工业生物所)主导完成的人工合成淀粉重大科技突破进展成果论文，北京时间9月24日凌晨在著名国际学术期刊《科学》上线发表，从而为从二氧化碳到淀粉生产的工业车间制造“打开了一扇窗”。
这一人工途径的淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍，向设计自然、超越自然目标的实现迈进一大步，为创建新功能的生物系统提供新的科学基础，也将为未来从二氧化碳合成淀粉开辟崭新道路，使未来淀粉的工业化生物制造成为可能。
业内专家称，如果未来二氧化碳人工合成淀粉的系统过程成本能够降低到与农业种植相比具有经济可行性，将会节约90%以上的耕地和淡水资源，避免农药、化肥等对环境的负面影响，推动形成可持续的生物基社会，提高人类粮食安全水平。同时，最新研究成果实现在无细胞系统中用二氧化碳和电解产生的氢气合成淀粉的化学-生物法联合的人工淀粉合成途径(ASAP)，为推进“碳达峰”和“碳中和”目标实现的技术路线提供一种新思路。

原文地址：https://www.zhihu.com/question/488626676

感恩由您

成果团队来啦！

非常荣幸邀请到了研究团队，中国科学院天津工业生物技术研究所的孙红兵、蔡韬、王钦宏三位老师，来给大家讲讲整个研究的情况。
大家都在转发的这张图里就是可爱的蔡老师~~



蔡韬副研究员在实验室展示人工合成淀粉样品（中国科学院科技摄影联盟供图）

<hr/>正文开始前，先把大家关心的几个问题说一下（问答的内容是编辑根据个人理解和与团队交流写的，未经科学家审核。正文由科学家撰写并审核。）

• 以后都不用种地了吗？
  

不是的。首先，目前的研究成果还处于实验室阶段，其次，后期考虑先替代工业淀粉。
2. 这项研究厉害在哪儿？
自然界的淀粉合成需要60多步复杂的反应和精细的调控，目前，这条人工合成路径只需要11步！能让我们未来能够像工业发酵生产啤酒一样生产淀粉。
这是一项中国科学家做出的原创性重大突破，由中科院天津工业生物所科研团队联合大连化学物理研究所完成。
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。
然后，科学家们又通过蛋白质生物工程改造手段和反应时空分离，提高反应效率和速度。
就是现在大家看到的这个人工合成方法啦！
3.和天然合成的淀粉相比，味道如何？
这……也不舍得品尝啊！！


不过，现在的方法已经可以实现直链淀粉和支链淀粉的可控合成了！
4. 关于能耗和成本
知友们都非常专业，为大家点赞。
不少人关心能耗问题，目前研究处于实验室阶段，生产全程的能耗还没有准确计算，但是工业化之前这个问题大家一定能得到答案，一步步来。
还有不少人问成本，同样的原因～再次强调，研究目前还处于实验室阶段，别的不说，就说酶，酶有多贵如果不知道的话可以问一下学生物的朋友……这也是大规模工业化之前必须解决的问题，一步步来。
5.接下来还会做什么？
虽然现在的结果非常振奋人心，但是理论上，这一方法的能量利用效率和合成速率比现在的结果更高，科学家们还将继续优化这一过程，冲击更高的反应效率和速度！
<hr/>正文开始：

淀粉是小麦、玉米、大米等谷物粮食中最主要的成分，也是重要的工业原料。不过目前，人类主要通过农业种植来生产这种复杂的多碳化合物。



图片来源：veer图库

如果现在告诉你，我们用一种气体就可以直接合成淀粉，你会不会觉得像魔法？
而这，正是科学家在做的事情。
近期，中国科学院天津工业生物技术研究所在淀粉的人工合成方面取得重大突破性进展，国际上首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成，相关工作于北京时间2021年9月24日发表于国际顶尖杂志《科学》。（论文链接：DOI：10.1126/science.abh4049）



中国科学院科技摄影联盟供图

为什么要尝试人工合成淀粉？

粮食安全是国家安全的重要基础，我国一直积极推进农业生物技术进步，从遗传杂交育种到分子设计育种，从转基因新品种培育到基因编辑技术育种，我们一直在追赶着国际科技前沿。
有没有可能“换道超车”？
其实人工合成淀粉的想法由来已久，即使是替代一部分粮食淀粉作为工业原料、甚至饲料，也是对缓解农业压力的巨大贡献。

合成生物学被认为是影响未来的颠覆性技术。模拟自然作物光合作用，重新设计生命合成代谢过程，设计人工生物系统,不依赖植物种植进行淀粉制造，潜藏着惊人的变革前景。的确这条路线存在很多的不确定性，科学问题复杂，技术路线不清、瓶颈问题难测，但是，科学研究就需要大胆的实践、勇闯无人区。
国家要求我们，敢于走前人没走过的路，努力实现关键核心技术自主可控，把创新主动权、发展主动权牢牢掌握在自己手中。我们科技工作者要有强烈的国家使命感，面向国家重大战略需求，在科技工作中做出重大创新贡献是我们的责任担当。“从二氧化碳到淀粉的人工合成”工业路径是事关长远和全局的科技战略制高点。
学习植物，利用科学，我们解决了两个问题

从二氧化碳到淀粉，也就是从C1（碳一化合物）到Cn（多碳化合物）的过程，并不容易。
自然界中，玉米等农作物中淀粉的合成与积累涉及约60步代谢反应以及复杂的生理调控，但是理论能量转化效率仅为2%左右。
人工合成淀粉的路，怎么走得又快又好？
首先，我们设计了一条从C1（一碳化合物）到Cn（多碳化合物）的新路径。

针对植物只能利用空气中低浓度二氧化碳（0.04%）、低能量密度的太阳能（10 w/m2）、生长周期长（3-4个月）、天然淀粉合成途径长（大约60个步骤）、催化效率低（需要关键酶RuBisco）等关键问题，科研人员耦合化学催化与生物催化技术，充分发挥化学催化速度快与生物催化可合成复杂化合物的优势，从头设计和构建了从二氧化碳到淀粉合成只有11步反应的人工途径(Artificial Starch Anabolic Pathway, ASAP)，在实验室中首次实现了从二氧化碳到淀粉的全合成。



图片来源：作者提供

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。
第二，我们用“搭积木”的思维解决了适配性问题。

人工合成淀粉的最大挑战在于，天然淀粉合成途径是通过数亿年的自然选择进化而成，各个酶都能够很好地适配协作，而人工设计的反应途径却未必如此完美。
为了解决酶的适配问题，基于每个模块终产物的碳原子数量，科研人员采用“模块化”——“搭积木”的思路，将整条途径拆分为四个模块，分别命名为C1（一碳化合物），C3（三碳化合物），C6（六碳化合物）和Cn（多碳化合物）模块。每个模块的原料和产物都是确定的，但是可以有多种反应过程，科研人员要做的，就是到四个模块最佳的组合方式。



图片来源：作者提供

科研人员在解决了热力学不匹配、动力学陷阱等问题后，对各模块进行不断地测试、组装与调整，最终成功创建了1.0版途径，实现了人工淀粉的实验室合成，该途径包含了来自动物、植物、微生物等31不同物种的62个生物酶催化剂。
在此基础上，科研人员采用蛋白质工程改造手段，对1.0版途径中的三个关键限速步骤进行了改造，解决了途径中的限速酶活性低、辅因子抑制、ATP竞争等难题，得到2.0版途径。
在2.0版途径中，生物酶催化剂的用量减少为1.0版本用量的50%左右，淀粉的产率提高了13倍。
进一步地，与二氧化碳通过化学法还原生成甲醇的反应偶联，构建出包括一个化学反应单元和一个多酶反应单元的3.0版本，通过反应时空分离优化，解决了途径中的底物竞争、产物抑制、中间产物毒性等问题，建立了生化级联反应系统，淀粉的产率又提高了10倍，并可实现直链淀粉与支链淀粉的可控合成。
可以说，该人工系统将植物淀粉合成的羧化-还原-重排-聚合以及需要组织细胞间转运的复杂过程简化为还原-转化-聚合反应过程，目前，根据数据推算，使用人工合成方法，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。
认识自然，学习自然，超越自然

按照目前的技术参数推算，在能量供给充足的条件下，1立方米大小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年平均产量，这一成果使淀粉生产的传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能。
工业车间制造淀粉一旦成功，与农业种植相比，将有机会节省超过90%的土地和淡水资源，而且可以消除化肥和农药对环境的负面影响，这对提高人类粮食安全水平，促进碳中和的生物经济发展具有十分重大的意义。



图片来源：作者提供

可以想象，到时我们所需的淀粉，可以利用空气中的二氧化碳作为原料，通过类似生产啤酒发酵一样的过程，在生产车间中制造出来，这将对未来的农业生产、特别是粮食生产具有革命性的影响，而且对全球生物制造产业的发展具有里程碑式的意义，是一项具有“顶天立地”重大意义的科研成果，是典型的“0”到“1”的原创性突破。
该研究是科研人员从认识自然，到学习自然，再到超越自然的过程。通过学习、研究自然光合作用，使用自然界存在的来源于不同动物、植物、微生物的酶进行理性组合设计，并且耦合化学催化、生物催化的各自优点，创建的一个新型人工淀粉合成途径。



图片来源：作者提供

不过，虽然目前设计、创建超越自然的人工生物系统生产淀粉取得了突破性进展，但要真正实现以二氧化碳为原料工业制造淀粉，依然任重而道远。相信在科研人员的不懈努力下，未来的“淀粉生产工厂”并不遥远。

出品：科学大院   转载请联系 cas@cnic.cn
特别感谢：中国科学院科学传播局 中国科学院天津工业生物技术研究所
<hr/>最后，想说说自己的一点感受。（以下内容未经科学家审阅）
淀粉，是人类刻进DNA的需要和爱好。
植物掌握了利用阳光将二氧化碳转化成淀粉的方法，找到了太阳下的勃勃生机，人类的祖先则发现了植物种子中蕴藏的能量，开辟了地球上的全新时代。
现在，科学家们创造出了这种淀粉人工合成的方法，又将带来哪些变化？
让我们拭目以待。

大力水手

太长不看版本：
人类首次完成二氧化碳到淀粉的转化 再也不用去火星种土豆了
这是一项具有改变人类历史突破的研究进展，人类首次完成了替代植物光合作用获取淀粉的方法。
虽然现在还面临着成本高，工业转化难等等问题，但这是一个从0到1的突破，这意味着只要我们在这条路上持续的走下去，总有一天，我们会完成工业化批量生产淀粉的事业，我们不再依赖与大量的土地种植，使得我们真正的从农耕文明走向更高的文明阶段。
而且这项研究，还将为人类的太空探索提供重大的助力，再也不用考虑去火星种土豆了，建立一个淀粉生产工厂，就可以代替一个巨大的土豆农场。
我们的征途，必将是星辰与大海。
<hr/>以下是太长版。
我们国家的科学家们，不声不响的搞了一个大新闻，一个诺奖级别的突破。


今天起床看到合成生物学的圈里都炸锅了。甚至因为官方的宣传，在圈外也炸锅了。
先说下我自己评价，绝对的突破性的进展，但从实验室到工厂还有很长的路要走，所以玉米还得种，而且可能还要种上好多年。
先说说这个技术的突破性，有多大呢？相当于人类用了另一种方法完成了光合作用。
我们人类的能量来源，工业化的可以使用煤炭，石油，电能，光能等等，但是人类自身，使用的能源一直很单一，作为细胞能源的硬通货ATP，还记得上学时候学的三羧酸循环不？
糖类、脂类、氨基酸，通过这个循环最终实现细胞的供能。来考一考，一个葡萄糖可以生成多少个ATP?（选项A38 B32 C30 D36）
而糖分作为最重要的供能体，我们获取的来源基本都是自然界中的植物。植物中糖分的来源，也就是传说中的光合作用。
6CO₂+6H₂O（ 光照、 叶绿体）→C₆H₁₂O₆[(CH₂O)ₙ]+6O2
这是一个中学生物都学过的反应式，但如果仔细探索下其中的过程，你会发现其反应及其复杂，需要几十个步骤。这个复杂程度到，生命科学进展到今天，合成生物学都已经开始合成生命了，而我们刚刚能从二氧化碳合成淀粉。
而这项突破性的技术，我国科学家用了一种更为简单，也是可以有望工业化生产的方法，来人工合成淀粉。上一个让人如此激动的成就还是人工合成蛋白质。当然蛋白质的合成不光是有科学意义，更具有哲学意义。
这项实验，为了模拟光合作用，选择了从光能到电能在到化学能的前置路线，就是用太阳能发电，然后用电能来电解水得到氢气，在通过化学手段把氢气和二氧化碳还原成甲醇。这部分属于化工合成阶段。
从光能到电能，从二氧化碳+氢气合成甲醇，在国际上已经有了很多突破性的研究，比如华东师大就在上个月发表的论文，他们找到了一个新的催化剂，大大的提高了二氧化碳+氢气转化为甲醇的转化效率。这些化学方面的研究的成果都会对现在这项研究提供助力。


接下来进入了生物酶促反应，实验人员改造了10种不同的生物酶，这些酶原本来自于动物，植物或者是其他微生物，最终从62种酶中优选出了10种并加以改造，然后一步步的把甲醇转化成了淀粉。
同时不得不提的是，实验团队人员用用计算机模拟设计了非常多的合成途径通过模块化的组装和适配完成了最终实验。
这系列操作就是经典的合成生物学领域的操作。这10种酶促过程，就是本次突破的精华。也是合成生物学领域中无细胞体系（cell free）的一个重要突破。
从产物来说与植物生成的淀粉无差别。并且这种合成淀粉还是可控的，不管是链长还是结构都可以控制。
这为以后工业化批量生产淀粉提供了一条可以走得通道路。
那么未来还要做那些事情？
第一就是降低成本，目前的这系列反应中，成本最高的还不是大家关注的能源成本，而是酶促反应的酶。不搞生物的同学可能无法理解，一小管酶就大几千，超过等重黄金价格也不是什么稀奇事情。如何降低酶的生产成本，以及提高酶的利用效率是非常重要的研究方向。让一个酶能更长久的使用，比如固化酶或者其他方式。这是生物学家要研究的方向。
其次是降低能源获取的成本。这次实验中为了模拟光合作用，所以是利用的太阳能，那如果改用核能呢？说个极端点的，万一哪天没太阳了呢？
这时候就非常期待可控核聚变了，假设人类不在被工业能源获取所困扰的时候，同步的可能也不在会被自身的生物能源所困扰。这些就要期待物理学和工程学上的突破了。
虽然在研究中从能效转化来看人工途径的淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍，但目前从成本来看还是不值的，还是种玉米来的划算。
但也并不是所有地方都不值得，有一些极端的高成本地区是可以尝试使用的，大家想想在哪里呢？
太空！我们的征途，是星辰和大海！
我们看火星救援都考虑过种土豆的问题，上次带回来的月壤，第一热搜就是月亮上也没法子种土豆。
种土豆的意义是什么？还是为了获取淀粉。那我们现在只要有能源，有二氧化碳，有水，就能合成淀粉。
别忘了火星上哪个充满了二氧化碳的大气层，以及地下水，能源的话在核能用不起来的时候可以考虑太阳能和风能。
也就是说，这个突破不光能解决地球上的事情，甚至能解决火星上的事情。
下图是我国合成生物学领域的赵国屏院士总结的从2000年以来的合成生物学的代表性进展。二氧化碳合成淀粉的这一突破，也绝对能在未来的这张表里占到一个重要位置。

队长是我

握艹，我要失业了？
我一个搞农机的，梦想就是让农民伯伯们不用再辛苦地种地，全都整上大机器，结果？
不用种地了？
这一步是淀粉，那膳食纤维，氨基酸蛋白质还远么？
维生素，矿物质还远么？
我没活干了？
*******
说几点正经的
当年合成氨，进而合成硝酸铵、碳酸氢铵的工艺路线，在当时的人们看来，也是无比的复杂，成本无比的高昂，但现在呢？
如今合成淀粉，尽管流程长、成本高，但想低成本的工程落地，可能真的不需要太久。
如果淀粉能大规模量产，对农业的冲击自然是非常大，但也没有想象的那么大；
水果照样吃，蔬菜照样炒，花生瓜子栗子核桃，也是一样也不能少；
但是，玉米小麦土豆等主打淀粉的作物，可能需要调整品种，种植结构；
我们会有近乎无限的饲料去养鱼、养猪、养牛、养羊、养鸡、养鸭……
烧雏鸡、烧花鸭
红烧排骨、糖醋里脊
新疆烤全羊、内蒙小火锅、铁锅炖大鹅……


*************
很多小伙伴关心工厂淀粉的成本问题，觉得在核聚变提供的廉价电力到来之前，工厂淀粉的成本很难降下来，我倒是觉得电费不是问题。
按照淀粉的能量在15310KJ/kg来计算，看科普博览的数据效率会超过10％，所以合成一公斤需要42度电。再就是这作为一个产业链并不长的工厂完全可以建在风电，光电充足的地方，还顺便调峰了，这样电的成本可以在2毛甚至更低。这样每公斤是8块钱，如果电费是1毛，那么工厂淀粉的电力成本是每公斤4块钱。
但是，技术是不断发展的，目前光伏的效率、电池板寿命还远没到瓶颈，许多年后，光伏发电的成本降到5分钱一度甚至更低都有可能。合成淀粉的转化效率再继续发展，稍微提高一点，那从太阳能到淀粉的综合转化效率到30%并不是不可能的事情。这样工厂淀粉的电力成本可能就在几毛钱。
反应装置、酶的成本，随着技术的进一步发展，我觉得也是可以降下来的。
再看玉米淀粉，当前玉米淀粉之所以是3块钱一公斤，原因有很多。一是当前的关于玉米的一系列补贴，农机补贴，作业补贴，加工补贴等等。工厂淀粉成熟后，这档子补贴是不是还有就不一定了。
二是玉米精加工的其他产物附加值高，淀粉便宜点卖也无所谓，如果以后物产更丰富了，其他产物卖不上价钱了，淀粉可能价格有变化。
所以，等技术真正成熟后，工厂淀粉不见得成本会高太多。
而且工厂淀粉还有着量大，产量稳定，不影响国家粮食稳定供应等一系列优点。
再就是超纯淀粉可能还有其他高价值用途，总比从粮食里提纯来的实在。
差点忘了最重要的，有了工厂淀粉，可以节省出海量的优质耕地，海量的淡水，这些事物又得值多少钱！

队长是我

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。
  

卡卡

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：
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？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”。
液态阳光技术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