国际重大颠覆性突破中国科学家首次实现合成淀粉

你必须耕种土地来满足碳水化合物的需求吗？二氧化碳将如何与氢气反应？

9月23日，中国科学院召开今年首次新闻发布会，介绍天津工业生物技术研究所在合成淀粉方面取得的重要进展。研究人员提出了一种颠覆性的淀粉制备方法，不依赖植物光合作用，以电解产生的二氧化碳和氢气为原料，成功生产淀粉。它在世界上首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成，使淀粉生产从传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能，取得了原创性突破。相关研究成果于9月24日在线发表于《科学》杂志。

淀粉是粥米中最重要的碳水化合物，是面粉、大米、玉米等谷物的主要成分，也是重要的工业原料。

目前，淀粉主要是由绿色植物通过光合作用固定二氧化碳合成的。在玉米等作物中，二氧化碳转化为淀粉涉及60多个代谢反应和复杂的生理调节，太阳能的理论利用效率不足2%。农作物通常需要几个月的时间才能生长，需要使用大量的土地、淡水、化肥等资源。

“长期以来，研究人员一直致力于改善光合作用的生命过程，希望提高二氧化碳的转化率和光能的利用效率，最终提高淀粉的生产效率。”中国科学院天津工业生物技术研究所通讯员、所长马延河直言不讳。

那么，除了光合作用，有没有更有效的方法用二氧化碳生产淀粉呢？

为了解决这一问题，中国科学院天津工业生物技术研究所的研究人员从零开始设计了11步非自然二氧化碳固定和人工合成淀粉的新途径，并在实验室首次实现了从二氧化碳到淀粉分子的全合成。

研究团队采用了类似的“积木”方式，加入中科院大连化学物理研究所，在高密度氢能的作用下，利用化学催化剂将高浓度二氧化碳还原成C1化合物，然后设计构建了一种新的碳聚合酶，根据化学聚糖反应原理将C1化合物聚合成C3化合物。最后通过生物优化，将C3化合物聚合成C6化合物进一步合成。

“这种人工方式的淀粉合成速率是玉米淀粉的8.5倍，向设计自然、超越自然的目标迈进了一大步，为创造新的功能生物体系提供了新的科学依据。”论文第一作者、中国科学院天津工业生物技术研究所副研究员蔡涛说。

在能源供应充足的情况下，按照目前的技术参数，理论上1立方米大小的生物反应器每年的淀粉产量相当于我国5亩地种植玉米的平均年产量。这一成果使传统的淀粉生产的农业种植模式转变为工业车间生产模式成为可能，为二氧化碳原料合成复杂分子开辟了新的技术路线。

马延河说，这一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。如果未来该系统的工艺成本能够降低到与农业种植相比经济上可行，将节约90%以上的耕地和淡水资源，避免农药化肥对环境的负面影响，提高人类粮食安全水平，促进碳中和生物经济的发展，促进可持续生物基社会的形成。

同时，中国科学院副院长、党组成员、院士周琦在发布会上强调，这一成果还处于实验室阶段，距离实际应用还有很长的路要走。后续要实现从“0到1”到“1到10”和“10到100”的概念过渡。

此外，这一成果也得到了国内外专家的高度评价。103010杂志新闻部执行主任梅根费伦认为，研究成果将为我们未来通过工业生物制造生产淀粉这一全球重要物质提供新的技术路线。中国科学院院士赵国平说，这是一项具有重大意义的科研成果。德国科学院和欧洲科学院院士曼弗雷德雷茨表示，这项工作推动了该领域的研究，将天津工业生物技术研究所推向了国际顶尖水平。