由中国科学院天津工业生物技术研究所(中科院天津工业生物所)主导完成的人工合成淀粉重大科技突破进展成果论文，北京时间9月24日凌晨在著名国际学术期刊《科学》上线发表，从而为从二氧化碳到淀粉生产的工业车间制造“打开了一扇窗”。
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一大步，为创建新功能的生物系统提供新的科学基础，也将为未来从二氧化碳合成淀粉开辟崭新道路，使未来淀粉的工业化生物制造成为可能。
业内专家称，如果未来二氧化碳人工合成淀粉的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，推动形成可持续的生物基社会，提高人类粮食安全水平。同时，最新研究成果实现在无细胞系统中用二氧化碳和电解产生的氢气合成淀粉的化学-生物法联合的人工淀粉合成途径(ASAP)，为推进“碳达峰”和“碳中和”目标实现的技术路线提供一种新思路。
中科院天津工业生物所介绍说，淀粉是粮食最主要的成分，同时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60余步代谢反应以及复杂的生理调控，理论能量转化效率仅为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。而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，是影响世界的重大颠覆性技术。
该所自2015年起聚焦人工合成淀粉与二氧化碳生物转化利用，开展需求导向科技攻关，集聚所内外创新资源，加强“学科-任务-平台”整合，实现各方科研力量的有机融合和高效协同，组建当初平均年龄30周岁的优秀青年科学家团队，持续6年深耕人工合成淀粉项目研发。
青年科学家团队从头设计出11步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从二氧化碳到淀粉分子的全合成。他们采用一种类似“搭积木”的方式，联合中科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)。
该团队还通过耦合化学催化与生物催化模块体系，创新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，解决人工途径中底物竞争、产物抑制、热/动力学匹配等问题，扩展人工光合作用的能力。按照目前技术参数，在能量供给充足条件下，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产量(按中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新的技术路线。
中国科学家在淀粉人工合成方面取得的重大颠覆性成果，也获中外同行专家高度评价，认为这是“典型的0到1原创性突破”，是“扩展并提升人工光合作用能力前沿研究领域的重大突破，是一项具有‘顶天立地’重大意义的科研成果”“不仅对未来的农业生产、特别是粮食生产具有革命性的影响，而且对全球生物制造产业的发展具有里程碑式的意义”“将在下一代生物制造和农业生产中带来变革性影响”。植物的光合作用，也许是地球上最重要的化学反应。它可以利用太阳的光照将二氧化碳等无机物合成有机物，让地球充满生机。如何不依赖植物光合作用，设计人工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。
近日，这一科学难题被我国科学家率先突破，在实验室实现了国际上首次二氧化碳到淀粉的从头合成。该研究由中国科学院天津工业生物技术研究所完成，相关工作于9月24日发表于国际学术期刊《科学》。
2021年8月30日，中国科学院天津工业生物技术研究所蔡韬副研究员在实验室展示人工合成淀粉样品。中国科学院科技摄影联盟供图
人工光合作用取得新突破
淀粉首次在实验室从头合成
淀粉不仅是粮食的最主要成分，同时也是重要的工业原料。作为一种高分子碳水化合物，它的合成与积累过程事实上相当复杂，涉及60余步代谢反应以及精妙的生理调控。
为了实现淀粉的人工合成，中科院研究团队通过从头设计反应链，仅用11步，在实验室中首次实现了从二氧化碳到淀粉分子的全合成。
论文通讯作者、天津工业生物技术研究所所长马延和介绍，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分子中只含有一个碳原子的化合物(简称“碳一化合物”)，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化合物，再进一步合成直链和支链淀粉。
合成速率高于自然植物
打开车间制造窗口
在谈到这项技术未来可能的应用方向时，马延和表示，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。
“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。”马延和介绍说，自然界植物合成淀粉的速率其实是相当慢的，这一人工系统的构建，为创建新功能的生物系统提供了新的科学基础。
马延和介绍，按照目前技术参数，在能量供给充足的情况下，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。经过进一步优化，未来的效率还将进一步提升。
“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。”马延和说。
人工合成淀粉样品。中国科学院科技摄影联盟供图
国内外专家高度评价
是一项“顶天立地”的重大原创成果
当今世界面临全球气候变化、粮食安全、能源资源短缺、生态环境污染等一系列重大挑战，科技创新已成为重塑全球格局、创造人类美好未来的关键因素。二氧化碳的转化利用与粮食淀粉工业合成，正是应对挑战的重大科技问题之一。因此，这一成果一经问世，便得到国内外领域专家的高度评价。
中国工程院院士、江南大学原校长陈坚认为，这项工作是典型的0到1的原创性成果，不仅对未来的农业生产，特别是粮食生产具有革命性的影响，而且对全球生物制造产业的发展具有里程碑式的意义。
中国科学院院士、中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员赵国屏评价说，该工作是扩展并提升人工光合作用能力前沿研究领域的重大突破，是一项具有“顶天立地”重大意义的科研成果。
“这项研究成果将对下一代生物制造和农业发展产生巨大影响。”日本神户大学副校长兼教授、日本理化研究所可持续资源科学中心副主任近藤昭彦表示。
中国科学院副院长周琪指出，这一成果目前尚处于实验室阶段，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。
“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。”周琪表示。
合成粮食？是不是听起来十分玄幻，只知道想吃粮食要靠种地，难不成以后粮食可以在实验室里、在工厂车间里人工合成了？近日中科院天津工业生物技术研究所主导完成了人工合成淀粉重大科技突破——在国际上首次在实验室实现二氧化碳到淀粉的从头合成，获得了中外同行专家高度评价，认为这是“典型的0到1原创性突破”，“不仅对未来的农业生产、特别是粮食生产具有革命性的影响”。
中科院天津工业生物技术研究所蔡韬副研究员在实验室展示人工合成淀粉样品
随之而来的有褒扬，当然也有担忧。乐观的人认为：这一做法可以摆脱粮食危机，又可以减少二氧化碳排放。粮食生产不再靠天吃饭，农业实现工业化，甚至下一步可以合成粮食，火星生存就可行了。而悲观的人则认为：这种消息是不是放卫星，合成过程中会不会有化学物质不能去除，合成的淀粉是不是只能用于工业生产不能食用，如果能食用会不会越来越没有口感，不再需要种地获得粮食会不会导致农民、农药化肥种子等农资产业链上的人失业，更有人给出了难度关系式：从发论文到实验室出成品难度增加10倍，从实验室到工业化量产再增加10倍，而再到高品质大规模工业化量产还要再高10倍！
中科院天津工业生物技术研究所蔡韬副研究员在实验室展示人工合成淀粉样品
且不论合成粮食到底行不行，好不好，能走多远，我们单看看国内外同行为什么给出“从0到1”原创性突破的高度评价。我们都知道粮食中含有各种淀粉，比如玉米淀粉、马铃薯淀粉、小麦淀粉等等，在自然条件下它们是怎么生成的呢？就是光合作用。
绿色植物的光合作用对人类来说十分重要，光合作用形成了食物链中最重要也是最基础的一环，把无机物变成了人类需要的有机物，提供地球上几十亿人口吃穿用住的需要，比如大量的食物（淀粉）、纤维以及各种各样的化学物质。同时消耗二氧化碳，产生氧气，供人类和动物呼吸，实现大自然的平衡。
不过大家不要被下面的光合作用化学方程式吓住，其实很简单，就是粮食作物（植物）相当于一个小实验室，通过体内的叶绿素把自然界中的水分、二氧化碳，利用白天太阳光提供的能量，转化成含有6个碳原子的葡萄糖，同时释放出氧气。而形成的葡萄糖几乎立刻就变成了淀粉，植物通常以淀粉的形式存储食物。
而葡萄糖变淀粉的密码早已被人类打开，我们早就能在实验室里用葡萄糖人工合成淀粉，这不是什么秘密，也没有什么困难。由此产生了两个方向，一部分生物学家对人工模拟光合作用期望特别大，但是@工程师天张只听说过有日本科学家利用非太阳光实现的光合作用，并没有其他太多的进展；而另一部分化学家则考虑的是如何脱离脱离“植物实验室”和“光合作用”，这个技术路线很困难，不靠植物而靠人工，把含有1个碳原子的二氧化碳直接转化成含6个碳原子的葡萄糖，这个才是人类挑战的极限。很多人觉得这不是天方夜谭吗。如今这个挑战被中国人在实验室实现了。
中国人上个世纪60年代世界首次完成了人工合成结晶牛胰岛素，在新世纪中国科学家又在从源头的二氧化碳人工合成淀粉领域取得了颠覆性、原创性的突破，而突破的技术核心在于前半段——把二氧化碳变成葡萄糖。这一步他们足足用了6年时间。而技术途径类似于搭积木，说起来比较简单，就是用氢（H）还原二氧化碳（CO2），生成含有一个碳的化合物，再通过聚合反应把三个碳一化合物聚在一起，形成含三个碳的化合物，用不科学的说法就是形成了半个葡萄糖，然后再把两个半拉的葡萄糖拉郎配，拼在一起，就变成了葡萄糖，只有由葡萄糖变淀粉就顺理成章了。
当然，为什么不是3个C2形成一个葡萄糖，或者直接6个C1形成一个葡萄糖，不在今天我们探讨的范围之内，这个技术路线自然有科研人员的道理。中国研发团队给出了一些数据，在这里跟大家共享一下：最常见的自然光合作用需要60余步反应才能生成淀粉，最后的能量转化效率理论上只有2%左右，而咱们的人工合成方法只需要11步；咱们的1立方米容积生物反应器淀粉年理论产量就抵得上5亩地玉米的产量；会节约超过90%的耕地、淡水资源，同时降低了农药化肥等环境负面影响。
且不论这种实验室产品离最终的高质量工业化产品还有多远，单是探索精神和蕴含的科技价值就足以让世界震惊了，真心祝愿他们走得更远，为中国、为世界、为人类创造更多更有价值的成果出来。
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