我国科学家突破二氧化碳人工合成淀粉技术(中国首次实现二氧化碳合成淀粉)

淀粉是碳水化合物的储存形式，也是人类饮食中热量的主要来源。淀粉是食品和动物饲料的主要热量成分，也是重要的工业原料。基于此，中国科学院天津工业生物技术研究所的马延河研究员采用化学-生物混合路径，

首次在无细胞系统中由二氧化碳(CO2)和氢气人工合成淀粉。其中采用了一种类似于“搭积木”的方式，通过计算路径、模块组装和替换建立，通过三种瓶颈相关酶的蛋白质工程优化，

它构成了由11个核心反应组成的人工淀粉合成代谢途径(ASAP)。在具有空间和时间分离的化学酶系统中，由氢气驱动的ASAP以每分钟每毫克总催化剂22纳摩尔CO2的速率将CO2转化为淀粉。

淀粉的合成速率比玉米高8.5倍左右。该方法为今后利用CO2合成化学-生物杂化淀粉开辟了道路。

The related paper was published in science on September 24, entitled "Synthesis of acellular chemical enzyme starch from carbon dioxide".

论文链接：https://www。科学。org/doi/10.1126/science。abh 4049

淀粉颗粒中的直链淀粉和支链淀粉聚合物由通过-1，4-糖苷键线性连接的葡萄糖残基链组成，在支链淀粉的情况下，它们通过-1，6-糖苷键的分支点连接。其中，绿色植物中的淀粉合成涉及约60个步骤和复杂的调控。

虽然在植物产生淀粉的效率方面已经做了很多努力提高但是光合作用的低效和淀粉合成的复杂性仍然存在。相反，合成生物学的进步使得合成系统的设计和构建在固定二氧化碳和化学生产方面更加有效。

受光合作用核心原理的启发，人们开发出了优秀的化学催化剂，可以更有效地从太阳能和水中提供电子或氢，从而将二氧化碳还原为简单的化学物质。在本研究中，作者使用了CO2还原催化剂，

它产生还原碳(C1)单位作为无细胞淀粉合成的化学酶途径的输入。选择甲酸和甲醇作为连接可能的化学催化剂和生物酶的候选中间体，

甲醛酶(fls)用于从候选C1中间体设计和构建淀粉合成途径的酶促部分。用组合算法从甲酸和甲醇中设计出两种简单的淀粉合成方法。原则上，

淀粉可以通过CO2与甲酸或甲醇作为C1桥接中间体的九个核心反应来合成。同时，采用模块化装配和替代的策略。这两条淀粉合成途径被分成更易管理的模块，包括一个C1模块(用于甲醛生产)。

C3模块(用于生产d-甘油醛3-磷酸)、C6模块(用于生产d-葡萄糖6-磷酸)和Cn模块(用于淀粉合成)。作者推测，

节能但热力学不利的C1模块产生的甲醛可能无法为C3a模块中fls的关键反应提供材料。因此，构建了具有热力学上更有利的反应级联反应的替代C1模块。

热力学上最有利的C1e模块成功地与C3a模块组装，并且从甲醇中获得了更高产率的C3化合物。在计算路径设计的帮助下，通过组装和替换由来自31种生物的62种酶组成的11个模块，

作者建立了人工淀粉合成代谢途径(ASAP)1.0，其中从甲醇开始有10个酶促反应。同位素13 C标记实验检测到了ASAP 1.0的主要中间产物和目标产物，验证了ASAP 1.0在甲醇合成淀粉中的所有功能。

（文：Doublenine)

图一。人工淀粉合成代谢途径的设计与模块化组装。

图二。主要瓶颈得到解决

图3。二氧化碳快速合成淀粉。

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