二氧化碳到淀粉人工合成(我国实现二氧化碳到淀粉的合成)

作者|倪思杰9月24日《科学》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)在淀粉合成方面取得重大突破。

本研究在世界上首次实现了二氧化碳从头合成淀粉。淀粉是谷物最重要的成分，也是重要的工业原料。中国科学院副院长、中国科学院院士周琦说，

当今世界正面临着全球气候变化、粮食安全、能源短缺和生态环境污染等一系列重大挑战。科技创新已经成为重塑世界格局、创造人类美好未来的关键因素。二氧化碳的转化利用和谷物淀粉的工业合成，

迎接挑战是重大科技问题之一。论文作者、天津工业生物研究所所长、研究员马延河介绍，天津工业生物研究所从无到有，设计了11个主要反应的非自然二氧化碳固定和淀粉合成新方法。

首次在实验室实现了从二氧化碳到淀粉分子的全合成。研究团队采用类似“搭积木”的方式，联合大连化学物理研究所，利用化学催化剂，在高密度氢能源的作用下，将高浓度二氧化碳还原为碳一化合物。

然后设计构建了一种新的C-1聚合酶，根据化学糖基化反应原理，将C-1化合物聚合成C-3化合物。最后通过生物优化将C-3化合物聚合成C-6化合物，再进一步合成直链和支链淀粉。

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系统提供了新的科学依据。论文第一作者、天津工业生物研究所副研究员蔡涛介绍

如果该系统的过程成本能够降低到未来与农业种植相比经济可行，将节约90%以上的耕地和淡水资源，避免农药和化肥对环境的负面影响，促进碳中和生物经济的发展。

促进可持续生物社会的形成。国内外专家认为，这一成果是“典型的0-1原创性突破”，是“扩大和增强人工光合作用能力的前沿研究领域的重大突破。

是具有“站在世界之巅”重大意义的科研成果；“不仅对未来农业生产特别是粮食生产产生革命性影响，而且对全球生物制造业发展具有里程碑式的意义”；将给下一代生物制造和农业生产带来革命性的影响。

该研究工作获得了中科院重点部署项目和天津合成生物技术创新能力提升行动的前瞻性资助和支持，是国家合成生物技术创新中心的重点研究方向。

相关论文资料：https://doi.org/10.1126/science.abh4049.

“空”制淀粉

——合成淀粉新成果五问

合成淀粉样品。本报见习记者刘润安摄淀粉在日常生活中几乎随处可见，如烹饪调料、护肤化妆品、杂志封面纸、胶囊壳、棉纱纺织品等。最近，

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技术研究所)研究团队经过6年的探索，首次在实验室实现了淀粉分子的人工合成。这是世界上第一次创造了用电/氢能从二氧化碳合成淀粉的方法。

与自然路线相比，反应步骤少，淀粉合成速度快。就与结果相关的一些问题，《中国科学报》采访了研究人员。

问题：为什么要合成淀粉？淀粉不是稀缺资源。获取淀粉最简单的方法是直接从玉米和土豆等作物中提取。那么，科研人员为什么要费心去合成淀粉呢？“我们想要一个非常缓慢的大规模农业过程，

成为高效且集中的工业过程。论文第一作者、天津工业生物研究所副研究员蔡涛告诉《中国科学报》，“农作物生长周期长，需要大面积种植，用于提高产量的各种育种技术已经进入平台期。

如何更有效地生产淀粉已经成为一个巨大的挑战。长期以来，科学家们探索了各种遗传育种方法，如杂交育种和分子育种，以便提高作物产量。虽然基因育种已经将作物产量提高到了极限，

生物合成技术也引起了关注。2015年，国际纳米材料科学家杨培东构建了一套“人工光合作用”系统，通过纳米线和细菌组成的系统模拟自然界中的光合作用，将二氧化碳和水转化为碳水化合物。20年，

美国国家航空航天局（NASA）发起了名为“二氧化碳转化挑战赛”的“百年挑战计划”，希望能将火星上最充足的资源——二氧化碳，转化成葡萄糖等有用的化合物，以满足人类在火星上生存和生活所需。

从2015年开始，天津工业生物所科研团队启动了人工合成淀粉项目。“之所以选择做淀粉的人工合成研究，是因为淀粉很重要。它是农耕文明的核心分子，提供了人类生存所需的热量。”蔡韬说。

“全球以淀粉为原料的产品大约有3万多种，我们如何找到更廉价、更大量的替代淀粉？这项研究已经迈出了重要一步。”未参与此项研究工作的中国工程院院士岳国君评论说。

二问：淀粉是怎么被合成出来的“我们的整体设计思路是将热电厂和水泥厂排放的高浓度二氧化碳分离出来作为原料，将低密度太阳能转化为高密度电/氢能作为能源，形成简单的碳氢化合物，

然后设计出从碳氢化合物到淀粉的生物合成过程。”蔡韬说。早在2015年，科研团队就确定了这一设计思路。此后6年里，在二氧化碳电/氢转化甲醇技术基础上，科研团队一直在摸索从碳氢化合物到淀粉的生物合成路径。

“淀粉是一种复杂有机物，它的合成也是一个复杂过程，我们要将其变成一个简单过程。”蔡韬说。最初，他们在从二氧化碳到淀粉的6568个生化反应中，计算出了一条最短的合成途径。这条途径共有11步主反应，

大致是先做化学反应——利用高密度电/氢能将二氧化碳还原为碳一化合物，再做生物反应——将碳一化合物聚合为碳三化合物、碳六化合物（即葡萄糖）直至长链淀粉分子。但这只是一条理论的虚拟途径，

科研团队必须在现实中把这条路走通。“计算出来的途径中，很多酶的组合在现实中从来没有出现过。”蔡韬说，不同的酶“脾气秉性”不同，它们组合在一起之后会产生一些不可控的问题。例如，

生物合成的第一步是要从碳一化合物合成出碳三化合物，而此前国内外的研究成果一直存在合成产物不可控的问题，从碳一化合物可能会生成碳二、碳三、碳四化合物甚至更多碳的碳氢化合物。于是，

他们从头设计碳碳缩合酶新序列，创建出了非自然的碳碳缩合酶，以促成从碳一化合物到碳三化合物的聚合，最终成功实现了从甲醛到2—羟基丙酮的可控生化反应。与此同时，

他们还进一步改造来自动物、植物、微生物等不同物种的生物酶催化剂，构建从2—羟基丙酮到葡萄糖异生代谢、多糖聚合功能模块，组装复杂的生化级联反应体系，通过蛋白别构调控改造、反应时空分离优化，

解决人工途径中底物竞争、产物抑制、热动力学匹配等问题。经过各种优化，科研团队成功将从二氧化碳到淀粉的合成途径简化至11步，并实现了精准调控。“这就是我们最初的梦想——凭空制造，随心所欲。

”论文通讯作者，天津工业生物所所长、研究员马延和说。

三问：人工合成淀粉跟自然淀粉一样吗“如果把人工合成淀粉做成面条、粉丝，大概会像意大利面那样劲道。”马延和表示，自然淀粉是直链淀粉和支链淀粉混在一起，目前实验室里合成的主要是直链淀粉，

合成的支链淀粉没有自然淀粉中的支链淀粉那么复杂。“在外观上，人工合成淀粉跟从玉米、薯类等农作物中提纯出来的淀粉看起来是一样的。”蔡韬说，实验室里通过人工合成产生的淀粉处于溶解状态，

“是比较稀的淀粉糊糊，干燥后会变成粉状”。科研人员对淀粉的基本判断方法是在溶液中加碘液，直链淀粉遇碘呈蓝色，支链淀粉遇碘呈紫红色。此外，他们还专门对合成物进行了理化分析。“通过核磁共振等检测，

它和自然生产的淀粉一模一样。”蔡韬说。

四问：有可能实现工业化生产吗作为一项基础研究领域的原创性突破，人工合成淀粉仍处在实验阶段。那么，未来它是否有工业化生产的可能？对此，科研人员表示，有潜力也有挑战。“实验室里合成出淀粉大约需要4个小时。

就人工合成淀粉的途径来看，从太阳能到淀粉的能量效率是玉米的3.5倍，淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。”蔡韬说。他告诉记者，在实验室里，规模还比较小，平均1小时能合成出的淀粉只有几克，

但是按照目前的技术参数，在能量供给充足的条件下，1立方米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平均年产量，这为淀粉生产的车间制造提供了可能。

“如果人工合成淀粉示范可以达到理论能量转换效率的80%，那么10度电大约可以合成1千克淀粉。”马延和说。同时，蔡韬也直言，产业化应用还有很大挑战。一方面，

在工程生物学基础理论和工程设计方面还有问题要解决；另一方面，就经济性而言，从控制过程成本初步计算，只有二氧化碳到淀粉合成的电能利用效率再提高数倍，

淀粉合成的碳素转化速率再提高数十倍，才能与农业种植竞争。因此，实现工业化生产，还需解决诸多的科技难题。

五问：接下来还要做什么“我们做的是应用导向的基础研究，目前取得的只是阶段性进展，后面还面临着很多难题。”蔡韬表示，科研团队已经迈出了第一步，即从理解细胞的基础代谢原理到设计细胞外生物化学反应途径。

接下来，他们还要建立从二氧化碳到淀粉的可控网络和生态系统，并尝试在细胞内实现淀粉的人工合成。产业化也是他们努力的方向。“我们计划在未来5至10年内，建立工业示范，以工业尾气为原料，

利用光伏等可再生电源分解水提供氢气，在化学反应器中进行二氧化碳高效还原，在生物反应装置中合成淀粉。”马延和说。此外，蔡韬表示，目前研究团队规模尚小，希望与相关研究所、大学和企业等创新力量加强合作，

推进人工合成淀粉工程化进程。“中国科学院将集成相关科技力量，一如既往地支持该项研究深入推进。”中国科学院副院长、中国科学院院士周琪表示，

后续研究团队还需要尽快实现从“0到1”到“1到10”的突破和“10到100”的突破，最终真正解决人类发展面临的重大问题。 《中国科学报》 (2021-09-24 第1版要闻)