粮食不需要土地种植，可以在生产车间中制造出来。如今，这个看似天方夜谭的想象正在成为可能。
以二氧化碳为原料，不依赖植物光合作用，直接人工合成淀粉——我国科学家在实验室里首次实现二氧化碳到淀粉的从头合成，成果北京时间24日由国际学术期刊《科学》发表。
淀粉是粮食最主要的成分，通常由农作物通过自然光合作用固定二氧化碳生产。
自然界的淀粉合成与积累，涉及60余步生化反应以及复杂的生理调控。中国科学院天津工业生物技术研究所研究员马延和带领团队，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。
实验室初步测试显示，人工合成淀粉的效率约为传统农业生产淀粉的8.5倍。
“这也意味着，我们所需要的淀粉，今后可以将二氧化碳作为原料，通过类似酿造啤酒的过程，在生产车间中制造出来。”天津工业生物所所长马延和说。
不依赖植物光合作用、人工合成碳水化合物，一直是世界各国科学家的梦想。此前，华人科学家杨培东曾带领团队利用聚糖反应成功将二氧化碳转化为多种单糖混合物。
“但是，他们还尚未实现复杂碳水化合物的人工定向合成。”天津工业生物所副研究员蔡韬说：“也就是说，他们的路线方法合成的是多种简单糖类化合物的混合物，还很难定向到其中的一种。”
专家介绍，淀粉高效人工合成的挑战主要来自低密度太阳能到高密度电能和氢能，低浓度二氧化碳到高浓度二氧化碳，以及复杂合成途径到简单合成途径3个方面。此前，在众多科研人员的努力下，前两个问题已基本得到了解决。
“这次，我们主要在人工合成途径构建方面实现了跨越式突破。”马延和说。
他介绍，一是跨越了人工途径进化的鸿沟。克服了不同来源、不同遗传背景的生物酶之间热力学与动力学不匹配等瓶颈，二氧化碳到淀粉的碳转化速率和效率显著提升；二是跨越了从虚拟到现实的鸿沟。团队用计算机可以设计出很多条合成途径，通过各种模块的组装和适配，最终筛选出了符合条件的路径，实现了人工淀粉合成。
“经过分析鉴定，我们合成的淀粉样品无论成分还是理化性质，都和自然生产的淀粉一模一样。”蔡韬说。
据科研团队介绍，在充足能量供给的条件下，按照目前的技术参数推算，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亩土地玉米种植的平均年产量。
马延和说：“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，并为二氧化碳原料合成复杂分子开辟了新的技术路线。”
不过，这一成果目前尚处于实验室阶段，离实际应用还有距离。
