“从0到1”，我国用二氧化碳人工合成淀粉取得重大原创性突破

8月30日，天津工业生物所蔡韬副研究员在实验室展示人工合成淀粉样品

淀粉是粮食最主要的成分，同时也是重要的工业原料。目前，淀粉主要由玉米等农作物通过自然光合作用固定二氧化碳生产，涉及约60步代谢反应以及复杂的生理调控，理论能量转化效率仅为2%左右。除了光合作用外，有没有效率更高的二氧化碳生产淀粉的方式呢？这将成为影响世界的重大颠覆性技术。

近期，中国科学院天津工业生物技术研究所马延和团队，国际上首次在实验室实现了从二氧化碳到淀粉的人工合成，并将约60步的代谢反应缩短为11步，其合成速率是传统玉米淀粉合成速率的8.5倍。这一“从0到1”的重大原创性突破工作于9月24日发表于国际权威学术期刊《科学》。

扩展了人工光合作用的能力

我国人民偏重碳水饮食，清代美食家袁枚在《随园食单》中写过“粥饭本也，余菜末也”，淀粉就是“粥饭”中最主要的碳水化合物。

农作物的种植通常需要较长周期，还需使用大量土地、淡水等资源以及肥料、农药等。粮食淀粉可持续供给、二氧化碳转化利用是当今世界科技创新的战略方向。

天津工业生物所构建了一条只有11步主反应的人工合成淀粉新途径，在实验室中首次实现了从二氧化碳到淀粉分子的全合成。研究团队采用了一种类似“搭积木”的方式，联合中国科学院大连化学物理研究所，利用化学催化剂将高浓度二氧化碳在高密度氢能作用下还原成碳一（c1）化合物，再将碳一化合物聚合成碳三（c3）化合物，最后通过生物途径优化，将碳三化合物又聚合成碳六（c6）化合物，再进一步合成直链和支链淀粉（cn化合物）。这一人工途径的淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍，向设计自然、超越自然目标的实现迈进了一大步，为创建新功能的生物系统提供了新的科学基础。

该研究扩展了人工光合作用的能力。按照目前技术参数推算，在能量供给充足的条件下，理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于5亩玉米的淀粉年平均产量（按我国玉米淀粉平均亩产量计算）。

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。据介绍，如果未来该系统过程成本能够进一步降低，与农业种植相比具有经济可行性，将有可能节约90%以上的耕地和淡水资源，避免农药、化肥等对环境的负面影响，提高人类粮食安全水平，促进碳中和的生物经济发展，推动形成可持续的生物基社会。

《科学》评审专家评价：“该项工作是一项里程碑式突破，将在下一代生物制造和农业生产中带来变革性影响。”

该领域的国际科技竞争可谓白热化

据2020年联合国五大机构发布的《世界粮食安全和营养状况》统计，全世界有近7.5亿人面临重度粮食不安全，占世界总人口近十分之一。为了满足人们对粮食的巨大需求，科学家们把目光投向了提供全球80%以上热量摄入的淀粉。

当下，该领域的国际科技竞争可谓白热化。2016年，德国马普研究所报道了第七条人工设计的固碳途径，二氧化碳转化速率是自然卡尔文固碳循环的两倍。2020年，以色列和澳大利亚科学家通过人工定向进化首次实现异养大肠杆菌和酵母固定二氧化碳进行自养生长（异养是只利用有机化合物生成，自养是直接用固定二氧化碳生长），进一步拓展了人工生物系统转化二氧化碳的路线。近期，美国伯克利大学杨培东院士团队用化学方法，将二氧化碳转化为多种碳水化合物，获得了美国航空航天局设立的“从二氧化碳出发合成葡萄糖（淀粉组分）”百年挑战计划最高奖。

天津工业生物所自2015年起，聚焦人工合成淀粉与二氧化碳生物转化利用，组建了当初平均年龄30岁的优秀青年科学家团队，实行“项目制”管理机制，深耕六个春秋，集中力量攻克难题，最终实现了原创性重大突破。