“空气变馒头”升级版来了！淀粉合成从“数月”到“数天”

“利用合成生物学的途径，用1立方米大小的生物反应器生产的淀粉量，就能与5亩土地种植出来的玉米相当。”日前在上海举行的“好望角科学沙龙”合成生物学专场活动上，中国科学院天津工业生物技术研究所创始所长马延和表示，人工合成淀粉的突破使不依赖土地、淡水等农业资源的淀粉车间制造成为可能，将在未来重塑生物制造与农业生产的格局。

马延和在沙龙上作报告

第三次生物技术革命

合成生物学的概念起源于1911年，法国物理化学家斯特凡·勒迪克受合成有机化学启发，首创“合成生物学”一词。这是一个涉及生物学、基因组学、工程学和信息学的交叉学科，通过工程化原理，有目的地设计生物系统甚至创造新生命。因其实现了从“认识生命”到“设计生命”的跨越，合成生物学又被誉为“第三次生物技术革命”。

人工合成淀粉是合成生物学领域的里程碑式进展。在自然条件下，植物利用低密度太阳能和空气低浓度二氧化碳，通过光合作用产生淀粉，整个过程不仅周期长达数个月，并且能量的转化效率极低，只有1%左右。

2021年9月，国际权威期刊《科学》在线发表了马延和团队的研究成果——采用一种类似“搭积木”的方式，从头设计、构建了11步反应的非自然固碳与淀粉合成途径，在实验室中首次实现从二氧化碳到淀粉分子的全合成。

这是国际上第一次不需要依赖植物光合作用，而是采用人工手段，将自然的代谢过程重新拆解、组装，以二氧化碳、水和氢能为原料，在实验室生产出了淀粉，让科幻小说中的“空气变馒头”从幻想变为现实。

“淀粉合成是一个能量输入过程，生化反应步骤多而代谢复杂，很多生理调控的问题和机制都没有搞清楚。”马延和表示，团队从6568种生化反应中筛选出最优路径，通过定向改造酶分子、创建非自然人工酶，解决了热力学匹配、代谢流平衡等世界级难题，最终成功合成了淀粉。

淀粉合成从“数月”变成“数天”

马延和在演讲中提到，团队将淀粉人工合成的途径优化、整合到3.0的版本。与玉米合成淀粉相比，人工合成淀粉的能量转换效率提升了3.5倍，淀粉的合成速度提升了8.5倍，把此前2-3个月的自然淀粉合成时间缩短到数天。“这意味着未来淀粉生产可脱离农业种植，实现工业化的车间制造，让人类有了太空生存的能力。”

“人工智能技术的发展，大大推动了合成生物学‘理性设计’的进程。”马延和在分享中还强调了AI技术对于合成生物学的重要性，并表示随着技术的不断发展，合成生物学目前已拓展至蔗糖、己糖、生物可降解材料等多碳复杂分子的合成，为食品、能源、医药行业提供全新解决方案。

合成生物学全球市场规模

据上海合成生物学创新中心和波士顿咨询公司共同发布的《中国合成生物产业白皮书 2024》显示，全球合成生物学市场规模从2018年的53亿美元增长到2023年的超过170亿美元，平均年增长率达27%，预计未来将持续增长，并在2028年达到近500亿美元。