二氧化碳做淀粉

我们知道，把空气中的二氧化碳变成淀粉是绿色植物已经做了几亿年的工作，它还有个如雷贯耳的大名——光合作用。光合作用的过程非常复杂，咱们在这里没法详细展开，但如果追踪碳原子的流向，它主要可以分成三个阶段：

首先，用含有1个碳原子的分子，也就是二氧化碳，生产含有3个碳原子的分子，比如3-磷酸甘油醛；

然后，再用这些分子，去合成制造含有6个碳原子的葡萄糖；

最后，再用葡萄糖分子生产含有大量碳原子的淀粉。

简单来说，光合作用就是三个步骤——碳1到碳3；碳3到碳6；碳6到碳无穷。

第一步从碳1到碳3，可能是最难跨越的，也是光合作用中最复杂的环节。因为这一步需要消耗巨大的能量。具体来说，植物先要依靠叶绿体吸收太阳光的能量，用这个能量制造高能化学物质（比如ATP和NADPH），从而实现光能到化学能的转换。然后，再用这些高能化学物质捕获空气中很低浓度的二氧化碳，把它转换成碳3物质。

而后面两个步骤，碳3到碳6、碳6到碳无穷，是大家比较熟悉的生物化学反应的样子。在几种酶的催化下，利用ATP分子提供的能量就可以在常温下持续进行。

整体而言，尽管已经经历了亿万年的进化打磨，植物中整个过程的转换效率也并不高，大约就是5%上下。

有了这个背景铺垫，我们才好介绍这项新研究的具体内容：

研究者们也想实现碳1到3、3到6、6到无穷的合成步骤。但我们说了，第一步如果从二氧化碳出发，难度太大了，于是研究者们首先选用了一个比较现实的路径。他们希望从高能物质甲醇出发，这也是含有一个碳原子的化学物质，实现淀粉的合成。相当于把光合作用门槛最高的环节给规避过去。

但即便如此，这个合成路线也还是很困难的——

分别看的话，从碳1到碳3，从碳3到碳6，从碳6到碳无穷，科学家们都已经积累了大量的研究素材，数据库里就能找到不少现成的、可以直接用的合成路线。但问题是，这些反应之间并不总是能够融洽地相互配合。

比如，甲醇能够在甲醇脱氢酶的作用下变成甲醛，而甲醛在几个酶的催化下可以变成刚刚我们提到的碳3物质——3-磷酸甘油醛。但问题是，这两个反应如果放到一起，就会互相干扰，不能顺利地从碳1得到碳3。

因此，研究者们花费了大量的精力，首先选出大量的候选化学反应模块，然后用它们在三个合成步骤之间反复拼搭，最终才凑出了一个效率令人满意的合成路线。整条路线一共有10步由酶催化的化学反应构成。

在这之后，研究者们又继续在这条路线上优化。他们找到了这条路线的限速步骤，也就是反应最慢、拖慢了整体合成效率的几个环节，然后人工改造了负责这些环节的三个酶分子，最终将整体合成效率又提高了7.6倍。单单考虑淀粉的生成速度的话，这个人工反应体系的效率已经和植物合成淀粉类似了。

这当然已经是巨大的技术进步。它证明了，科学家们通过人工组装和修改反应路线图，能够在非生物条件下实现重要生物大分子的合成。

但事情还没完。我们刚刚也提到，光合作用里门槛最高、最复杂、耗能也最多的步骤，其实是捕获和固定空气中浓度很低的二氧化碳，把这种气态分子里的碳原子截留下来，用来合成碳3物质。而研究者们的合成起点是甲醇，等于是战略性地绕过了最难的步骤。

那有没有办法把这一步补上呢？

必须得说，人类已经做过很多尝试，但至今，还没有哪个办法能够接近生物体利用光能捕获二氧化碳的水平。其中一个相对接近的思路是这样的：

先用太阳能发电，再用电分解水产生氢气和氧气，然后把氢气和二氧化碳在高温高压下混合，生产甲醇。整个步骤虽然长得不像光合作用，但实现的目标是类似的，就是把太阳能转换成化学能，储存在甲醇内部。之后，甲醇可以直接燃烧供能，也可以作为化工原料使用。这个方法是2017年中科院大连化学物理所的科学家们开发的 [7]，也被他们形象地叫作“液态阳光”，因为太阳能被储存到了液态的甲醇内部。

在我们这次介绍的工作中，研究者们就把两项研究拼接组合到了一起。用“液态阳光”技术生产甲醇，模拟了光合作用最难的第1步的一半；然后再用他们自己设计优化的合成路线，用甲醇制造淀粉，模拟了光合作用剩下的2.5步。这就是新闻标题“用空气做馒头”的来历。

在我看来，这项研究最核心的价值是，研究者们证明了，人类可以在实验室里人工地筛选、组装、设计和优化各种复杂的生物化学反应。

它既可以用来在实验室里模拟生物内部本来就有的某种能力，比如合成淀粉；未来，也可以用来优化这种能力，比如根据实验结果改造植物，更有效率地合成淀粉；甚至是创造生物体根本不具备的能力，比如开个脑洞的话，让植物生产塑料和橡胶也不是不行。因此，即便不考虑淀粉这个特别吸引眼球的因素，这项研究的价值仍然是很大的。