中国科学家在人工合成淀粉领域取得原创性突破

近期，中国科学院天津工业生物技术研究所(以下简称“天津工业生物所”)在人工合成淀粉方面取得重大突破性进展，国际上首次在实验室实现了二氧化碳到淀粉的从头合成。相关研究成果9月24日发表于《科学》杂志。

淀粉是高分子碳水化合物，是由葡萄糖分子聚合而成的多糖，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，淀粉合成与积累涉及约60步代谢反应以及复杂的生理调控，太阳能的利用效率为2%左右。农作物的种植通常需要较长周期，需要使用大量土地、淡水等资源以及肥料、农药等农业生产资料。

粮食危机、气候变化是人类面临的重大挑战，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。不依赖植物光合作用，设计人工生物系统固定二氧化碳合成淀粉，将是影响世界的重大颠覆性技术。

为了攻破这项世界难题，天津工业生物所从头设计了11步主反应的非自然二氧化碳固定与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，然后通过设计构建碳一聚合新酶，依据化学聚糖反应原理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。

该研究通过耦合化学催化与生物催化模块体系，创新了高密度能量与高浓度二氧化碳利用的生物过程技术，通过反应时空分离优化，解决了人工途径中底物竞争、产物抑制、热/动力学匹配等问题，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亩土地玉米种植的淀粉年平均产量(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。

论文通讯作者、中科院天津工业生物所所长马延和表示：该成果为从二氧化碳到淀粉生产的工业车间制造打开了一扇窗，如果未来该系统过程成本能够降低到与农业种植相比具有经济可行性，将有可能会节约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。

中国科学院副院长、中国科学院院士周琪强调：“这项成果在国际上首次实现了从二氧化碳到淀粉的从头全合成，取得了原创性的突破。但是成果尚处于实验室阶段，离实际应用还有相当长的距离，后续还需要尽快实现从‘0到1’的概念突破到‘1到10’和‘10到100’的转换，最终真正成为解决人类发展面临重大问题和需求的有效手段和工具”。

该成果得到国内外领域专家的高度评价。德国科学院院士、欧洲科学院院士曼弗雷德·雷兹表示：该工作将这个领域的研究向前推进了一大步，同时将天津工业生物所推向了国际顶尖水平;中国科学院院士赵国屏表示：这是一项具有“顶天立地”重大意义的科研成果;中国工程院院士欧阳平凯表示：这项技术不仅对国家、对世界解决二氧化碳生成淀粉这个人类基本的食品和原料的问题，也是对碳中和工作有很重要的意义。