人工合成淀粉，人类星际文明的开始？

9月24日，《科学》杂志在线发表《从二氧化碳无细胞化学酶合成淀粉》（Cell-freechemoenzymaticstarchsynthesisfromcarbondioxide）一文，宣告了中国科学家首次通过人工途径用二氧化碳合成淀粉，这使未来淀粉的工业化生物制造成为可能。

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如果说，上世纪60年代中国在世界上首次完成人工合成结晶牛胰岛素（蛋白质）是中国在生物科学领域的第一次巅峰突破的话，那么，这次的人工合成淀粉，就是中国生物科学领域的第二次巅峰突破。
淀粉是什么东西？
从分子层面看，淀粉是多糖，是相对简单的有机化合物。
生物意义上的“糖” ，一般是指单糖及其聚合物，单糖包括了葡萄糖、半乳糖、果糖、山梨糖、甘露糖、木糖、核糖和脱氧核糖等。
当两种单糖分子通过糖键连接在一起，就成为二糖，如蔗糖和麦芽糖都是二糖，其中蔗糖=葡萄糖+果糖，而麦芽糖=葡萄糖+葡萄糖，更多的单糖分子链接在一起，就成为了低聚糖，而更多的单糖、二糖和低聚糖如果链接到一起，就成为了多糖。
单糖、二糖和低聚糖不同的连接方式，会产生不同的多糖，如淀粉、纤维素，都是某种方式链接起来的多糖，而糖类和淀粉，合称为碳水化合物，与脂肪、蛋白质一起，构成了生命的三大能量物质，也是人类的食物基础。
人类食用的大米、面粉、玉米、土豆、红薯等，其背后的农作物，某种程度上说，其实都是淀粉制造机器。它们在阳光的能量输入下，在叶绿素的催化下，通过著名的“光合作用” ，把空气中的二氧化碳和水，转化为淀粉、纤维素等，释放氧气，这就是植物生长和农业生产的本质。
农作物和草木类植物，通过自然光合作用生产淀粉，其合成与积累涉及60多个生化反应以及复杂的生理调控，理论能量转化效率仅为2%左右。

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中科院天津工业生物研究所，借鉴自然光合作用的淀粉合成路径，从2015年开始，专注于研究人造淀粉生物合成和CO2的利用。
面对自然光合作用中60多步的生物合成反应（植物有C3途径和C4途径两条固碳线路），科学家们通过计算机模拟和筛选，采用了一种类似“搭积木”的方式，从头设计、构建了11步反应的二氧化碳固定人工合成淀粉新途径。
具体的11个步骤如下：
1）在氧化锌-氧化锆催化剂作用下，将高浓度的二氧化碳和水，通过还原反应，催化加氢，反应生成为甲醇（CH3-OH），这已经是较为成熟的工艺过程；
2）甲醇被氧气氧化，脱掉两个氢，变成甲醛（CH2-O），氧气来源于双氧水；
3）甲醛缩合，形成二羟基丙酮（C3）；
4）ATP供能，把二羟基丙酮磷酸化，形成成磷酸二羟丙酮
5）酮与邻位羟基重排列，形成醛邻位羟基，异构成为3-磷酸甘油醛。
6）C3物质通过加成反应，两两成环，形成5原子氧环。
7）脱去部分磷酸根
8）五元环重排为六元氧环，形成葡萄糖骨架（C6）。
9）磷酸化邻位羟基，防止开环。
10）二磷酸腺苷化。
11）脱磷酸，聚合成淀粉（Cn）。
研究人员介绍，本次人工合成的淀粉分子，经过核磁共振等检测，发现与天然淀粉分子的结构组成一致。
看起来，过程好像并不复杂。但实际上，自然界并不存在甲醇合成淀粉的生命过程，科学家是利用计算生物学思想，从几千个化学反应和生物合成途径中，通过计算机模拟设计，通过模块化组装和替代适配，不断地进行测试、组装与调整，才打通了合成路径。