科学杂志中国人工淀粉合成

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。