近期，中国科学院天津工业生物技术研究所马延和团队在美国《科学》杂志在线发表题为《从二氧化碳用无细胞化学酶合成淀粉》的文章。
这是继1965年我国人工合成牛胰岛素和1982年人工合成酵母丙氨酸转移核糖核酸之后，在合成生物学领域又一重大研究成果。蛋白质、核酸和多糖是生物体内重要的、不可或缺的三大类生物大分子。人工合成淀粉成功，也实现了我国人工合成三类生物大分子的“大满贯”。而且，与牛胰岛素和酵母丙氨酸转移核糖核酸人工合成不同的是，这次淀粉的人工合成是真正意义上的“从头合成”，是最简单的无机化合物二氧化碳和氢，合成生物大分子淀粉。
此项研究被认为是不依赖植物光合作用，直接人工合成淀粉。其实，在植物中光合作用与淀粉的合成似乎没有任何直接关联。光合作用是植物固定二氧化碳的过程，是通过光能的利用，使1个五碳糖和二氧化碳反应，形成2个三碳化合物。而淀粉的合成则是葡萄糖和腺苷三磷酸（ATP）反应而活化，进而合成淀粉。如果将这两者关联起来，则一定变成一个极其复杂的过程。确切地说，此项研究是不通过光合作用，将二氧化碳转变成有机物。
此项研究使用的人工合成过程包含了11步反应，大致可以分为四个阶段：一碳化合物的合成和转化；三碳化合物及其衍生物的合成和转化；己糖衍生物的合成和转化；活化前体制备和淀粉的合成。整个过程中仅第一步，二氧化碳和氢合成甲醇是用化学催化剂，其他10步反应，全是酶催化反应。这是基于对有关的反应过程，特别是淀粉的生物合成全过程的透彻了解。不仅知晓相关酶的性质及其分子结构，同时由于基因工程技术的成熟和掌握，还人工地得到这些酶。这些酶的利用极大地提高了反应的效率。就我们所知，迄今全化学合成的寡糖中单糖残基的数目仅10余个，而淀粉中葡萄糖残体的数目超过100个。此项研究的合成过程避免了全化学合成的多种困难和麻烦。
此项研究的结果明确地告诉人们，人工合成淀粉成功了。为此，似乎看到了通过人工合成有可能解决粮食短缺的问题。然而，要将这种希冀转为现实，似乎还有很长的路要走。首先，能量守恒是自然界的重要法则。既然淀粉可以供应能量，因此，合成淀粉时需要外界提供能量。在11步反应中有3个反应需要ATP。而和植物的光合作用固定二氧化碳所需非能量是来自自然界的光能。其次，在11步反应中，需要10个工程用酶，ATP的再生还需要一个激酶。这些工程酶的成本是多少？目前生物医药产业生产的多数是合成的、为人类所用的有机化合物，主要是药物类。药物使用量是毫克级，而且不是所有人都需要使用的，价格也普遍较高。而作为粮食的淀粉，是人们天天都需要的，而且是以斤（500克）作为计量单位的。即便人工合成淀粉能批量生产上市，食用人工合成淀粉的成本是多少？或许是普通人难以承受的。
人工合成淀粉用作粮食，也许目前还不太现实。但是，此项研究中的前两个合成阶段，还是有应用价值的。因为很多化工原料是一些二碳和三碳化合物。而目前这些化工原料，不少是用粮食——淀粉生产的。因此，如果前两个阶段的反应成本是许可的，似乎可以通过替代节约不少粮食。同时，如果将前两个阶段的反应加以拓展，也许可以得到更多不同类型的二碳和三碳化合物，并用作化工原料。
在9月24号，国际学术期刊科学上发表了二氧化碳人工合成淀粉的论文。该论文通过短短的11步就可以完成二氧化碳到淀粉全过程，远远比自然界60多步的淀粉合成路线简便，大大提高了淀粉合成的速度和效率。作为一项全新的技术，笔者认为它对当代会产生以下几点影响。
第一，二氧化碳合成淀粉可以降低粮食压力。根据实验室测定，人工合成淀粉的效率是农业生产淀粉的8.5倍。这一巨大的差距代表着更高的粮食生产速度，而这可以缓解我们当前人口快速增长所需要的粮食压力。因为我们人所需的能量大部分来自于植物中的淀粉，我们通过对淀粉的分解，将其转变为葡萄糖，最后合成ATP，为我们机体提供能量。而植物的生长需要很长的周期，但我们人体每天都需要进食，这就形成了供需的矛盾，而二氧化碳合成淀粉高效可以缓解这个矛盾，是非常棒的技术。
第二，二氧化碳固定合成淀粉能够解决环境危机。由于工业的发展，二氧化碳的排放量逐年升高，过量的二氧化碳造成了温室效应，让全球温度升高，造成了两极冰川融化，海平面升高，威胁沿海城市。面对这些二氧化碳造成的危机，二氧化碳合成淀粉技术能够利用大气中丰富的二氧化碳资源，将这些对环境产生破坏的气体转变成对人体有利用价值的淀粉，可以极大地延缓温室效应的逼近，保护环境。
第三，二氧化碳合成淀粉技术提高了能量的利用效率。由于自然界中合成淀粉需要六十多步，这其中会造成不少能量的浪费。而该技术简化了这些步骤，可以有效避免更多的能量浪费，提高能量利用效率。
以上就是笔者对这个问题的回答，如果大家有其他观点，欢迎在评论下方留言。
完美的光合作用我国在20世纪60年代人工合成了结晶胰岛素。作为一个资源消耗大国，几乎任何方面的需求都是惊人的。那么，中国科学家是如何人工合成淀粉的呢？在正式合成淀粉之前，我们首先要了解大自然的光合作用。虽然我们在中学都有过简单系统的学习，但是这里有必要强调一下。
植物的光合作用通过光能转化为化学能，化学能作为植物生长的能量，再释放出来为生物提供氧气。植物的光合作用可分为光响应和暗响应两部分。前者发生在类囊体膜上，后者发生在叶绿体基质中。在光反应阶段，水在光解作用下生成氧气和还原氢气，这里还原的氢气为暗反应阶段的碳循环提供还原动力。
关键点是暗反应阶段，可进一步分为CO2固定和C3还原两个过程。首先，CO2和C5在酶的催化下分解成两个分子的C3，并将CO2固定化。然后，生成的C3在还原氢、ATP和酶的作用下生成葡萄糖、水和C5。反应产生的C5再次参与碳循环，以此类推，不断产生葡萄糖，葡萄糖聚合后形成淀粉。
反应的关键物质是叶绿素。在整个反应过程中，会有烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)和三磷酸腺苷(ATP)存在，它们是细胞活动所必需的能量。二氧化碳作为参与光合作用的主要物质，在固碳过程中会转化为糖，消耗的能量由阳光补充。那么利用光能进一步将二氧化碳转化为碳水化合物淀粉的重要性似乎不言而喻。
我们生活的方方面面都涉及淀粉：刷牙，喝牛奶，穿衣。它是食物中最重要的营养素，是面粉、大米、玉米等食物的主要成分，提供了全球80%以上的热量。也是重要的饲料成分和工业原料。如果生产近20亿吨谷物，其中约12-14亿吨是淀粉。
