植物的光合作用，也許是地球上最重要的化學反應。它可以利用太陽的光照將二氧化碳等無機物合成有機物，讓地球充滿生機。如何不依賴植物光合作用，設計人工系統固定二氧化碳合成澱粉，將是影響世界的重大顛覆性技術。

近日，這一科學難題被我國科學家率先突破，在實驗室實現了國際上首次二氧化碳到澱粉的從頭合成。該研究由中國科學院天津工業生物技術研究所完成，相關工作於9月24日發表於國際學術期刊《科學》。

2021年8月30日，中國科學院天津工業生物技術研究所蔡韜副研究員在實驗室展示人工合成澱粉樣品。中國科學院科技攝影聯盟供圖

人工光合作用取得新突破

澱粉首次在實驗室從頭合成

澱粉不僅是糧食的最主要成分，同時也是重要的工業原料。作為一種高分子碳水化合物，它的合成與積累過程事實上相當復雜，涉及60余步代謝反應以及精妙的生理調控。

為了實現澱粉的人工合成，中科院研究團隊通過從頭設計反應鏈，僅用11步，在實驗室中首次實現了從二氧化碳到澱粉分子的全合成。

論文通訊作者、天津工業生物技術研究所所長馬延和介紹，團隊採用了一種類似“搭積木”的方式，聯合中國科學院大連化學物理研究所，利用化學催化劑將高濃度二氧化碳在高密度氫能作用下還原成分子中隻含有一個碳原子的化合物（簡稱“碳一化合物”），然后通過設計構建碳一聚合新酶，依據化學聚糖反應原理將碳一化合物聚合成碳三化合物，最后通過生物途徑優化，將碳三化合物又聚合成碳六化合物，再進一步合成直鏈和支鏈澱粉。

合成速率高於自然植物

打開車間制造窗口

在談到這項技術未來可能的應用方向時，馬延和表示，這一成果使澱粉生產的傳統農業種植模式向工業車間生產模式轉變成為可能，並為二氧化碳原料合成復雜分子開辟了新的技術路線。

“這一人工途徑的澱粉合成速率是玉米澱粉合成速率的8.5倍。”馬延和介紹說，自然界植物合成澱粉的速率其實是相當慢的，這一人工系統的構建，為創建新功能的生物系統提供了新的科學基礎。

馬延和介紹，按照目前技術參數，在能量供給充足的情況下，理論上1立方米大小的生物反應器年產澱粉量相當於5畝土地玉米種植的澱粉年平均產量。經過進一步優化，未來的效率還將進一步提升。

“如果未來該系統過程成本能夠降低到與農業種植相比具有經濟可行性，將有可能節約90%以上的耕地和淡水資源，避免農藥、化肥等對環境的負面影響，提高人類糧食安全水平，促進碳中和的生物經濟發展，推動形成可持續的生物基社會。”馬延和說。

人工合成澱粉樣品。中國科學院科技攝影聯盟供圖

國內外專家高度評價

是一項“頂天立地”的重大原創成果

當今世界面臨全球氣候變化、糧食安全、能源資源短缺、生態環境污染等一系列重大挑戰，科技創新已成為重塑全球格局、創造人類美好未來的關鍵因素。二氧化碳的轉化利用與糧食澱粉工業合成，正是應對挑戰的重大科技問題之一。因此，這一成果一經問世，便得到國內外領域專家的高度評價。

中國工程院院士、江南大學原校長陳堅認為，這項工作是典型的0到1的原創性成果，不僅對未來的農業生產，特別是糧食生產具有革命性的影響，而且對全球生物制造產業的發展具有裡程碑式的意義。

中國科學院院士、中國科學院分子植物科學卓越創新中心研究員趙國屏評價說，該工作是擴展並提升人工光合作用能力前沿研究領域的重大突破，是一項具有“頂天立地”重大意義的科研成果。

“這項研究成果將對下一代生物制造和農業發展產生巨大影響。”日本神戶大學副校長兼教授、日本理化研究所可持續資源科學中心副主任近藤昭彥表示。

中國科學院副院長周琪指出，這一成果目前尚處於實驗室階段，離實際應用還有相當長的距離，后續還需要盡快實現從“0到1”的概念突破到“1到10”和“10到100”的轉換，最終真正成為解決人類發展面臨重大問題和需求的有效手段和工具。

“中國科學院將集成相關科技力量，一如既往地支持該項研究深入推進。”周琪表示。

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