中國首次實現(xiàn)人工合成淀粉 對農業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)的生物制造提供了新途徑

　　23日，記者在中國科學院舉行的新聞發(fā)布會上獲悉，經(jīng)過多年研究攻關，我國在淀粉人工合成方面取得重大突破性進展，國際上首次實現(xiàn)了從二氧化碳到淀粉的全合成。從二氧化碳人工合成淀粉被國際學術界認為是影響世界的重大顛覆性技術，這一成果24日在國際學術期刊《科學》發(fā)表。

　　在玉米等農作物中，自然光合作用的淀粉合成與積累涉及60多步生化反應以及復雜的生理調控，理論能量轉化效率為2%左右。通過多年研究攻關，中科院天津工業(yè)生物所科研團隊聯(lián)合大連化物所，采用一種類似“搭積木”的方式，通過耦合化學催化和生物催化模塊體系，實現(xiàn)了“光能—電能—化學能”的能量轉變方式，成功構建出一條從二氧化碳到淀粉合成只有11步反應的人工途徑。

　　中科院天津工業(yè)生物所副研究員蔡韜：我們研究團隊提出了化學和生物耦合催化合成淀粉的一個新的思路，目前在實驗室只需要幾個小時就可以完成農作物需要幾個月的淀粉合成過程。

　　科研團隊最新突破的淀粉人工合成不僅步驟更少，而且還具有更高的能量轉化效率與合成速度。該人工途徑從太陽能到淀粉的理論能量轉化效率是玉米的3.5倍，淀粉合成速率是玉米的8.5倍。在充足能量供給的條件下，按照目前技術參數(shù)推算，理論上1立方米大小的生物反應器年產(chǎn)淀粉量，相當于我國5畝土地玉米種植的平均年產(chǎn)量。

　　中科院天津工業(yè)生物所所長馬延和：雖然現(xiàn)在還是處于實驗室階段，未來還需要有更多的科學挑戰(zhàn)，但一旦工業(yè)實現(xiàn)，它會對我們的糧食安全到二氧化碳的利用，到我們雙碳的目標都會起到非常重大的支撐作用。

　　《科學》雜志國際及學術出版合作總監(jiān)初曉英：它是人工合成淀粉這個領域的一個重大突破，也是從國際上來說第一次（在實驗室）從二氧化碳合成了淀粉的整個的過程，這個過程對生物合成生物制造的領域是一個重大的里程碑式的突破，然后下一步對農業(yè)生產(chǎn)、對工業(yè)的生物制造實際上提供了一個新的途徑，有非常重大的推進意義。

　　三大核心突破實現(xiàn)人工合成淀粉>>

　　淀粉是糧食最主要的成分，也是重要的工業(yè)原料。從二氧化碳人工合成淀粉這一顛覆性技術是如何實現(xiàn)的？核心突破究竟在哪兒？

　　亮點1：能量轉化效率提升3.5倍突破自然光合固碳系統(tǒng)利用太陽能的局限

　　為了設計超越自然能力的固碳淀粉合成途徑，科研團隊創(chuàng)新地提出將化學與生物催化相耦合的方案，從約7000個生化反應中、構建形成只有11步主反應的固碳淀粉人工合成途徑，將理論能量轉化效率提升3.5倍，使高效固定二氧化碳高效合成淀粉成為可能。

　　亮點2：從60多步到11步突破自然界淀粉合成的復雜調控障礙

　　在計算設計的人工途徑中，生物酶催化劑是成功構建這條途徑的核心關鍵。科研團隊從動物、植物、微生物等31個不同物種來源挖掘合適的生物酶催化劑，構建了一條只有11步反應的人工淀粉合成途徑，與自然界淀粉合成需要的60多個步驟相比，顯著降低了合成的復雜度。

　　亮點3：突破天然淀粉合成時空效率不高的限制

　　由于缺少自然途徑上億年的進化過程，人工途徑中來源于不同物種的生物酶催化劑間存在難以適配的問題。針對這個問題，研究團隊開發(fā)了模塊組裝優(yōu)化與時空分離反應策略，解決了人工途徑中底物競爭、產(chǎn)物抑制等問題，最終獲得了淀粉合成速率和效率顯著提升的人工途徑。

　　人工合成淀粉：工業(yè)化之路面臨眾多挑戰(zhàn)>>

　　從二氧化碳人工合成淀粉的參數(shù)計算，1立方米大小的生物反應器年產(chǎn)淀粉量，可以相當于5畝玉米淀粉產(chǎn)量。那么人工合成的淀粉和自然界的淀粉有何異同？淀粉生產(chǎn)的工業(yè)化之路還面臨哪些挑戰(zhàn)呢？一起聽聽專家的解讀。

　　中科院天津工業(yè)生物所所長馬延和：通過人工這個途徑所出來的淀粉，目前主要還是直鏈淀粉，當然現(xiàn)在我們也可以加入一個分支酶，把它可以做成支鏈淀粉。現(xiàn)在在實驗室我們有了一點樣品，但是還沒有去做應用。

　　中科院天津工業(yè)生物所副研究員蔡韜：最重要的就是我們通過我們科學這樣的金標準，就是核磁檢測，我們拿我們的合成的直鏈（淀粉）和支鏈（淀粉）和自然界中的直鏈（淀粉）和支鏈（淀粉）一起去比，得到核磁的結果是一模一樣，所以我們可以說我們合成的淀粉實際上就是和自然的淀粉是沒有區(qū)別的。

　　科研團隊介紹，雖然人工合成淀粉這一路徑已經(jīng)打通，但是目前僅在實驗室生產(chǎn)了少量的淀粉樣品，要真正實現(xiàn)人工合成淀粉的工業(yè)化，還面臨很多挑戰(zhàn)。

　　中科院天津工業(yè)生物所所長馬延和：如果變成工業(yè)化，就是我們說以合成生物學的這種理念，重新設計生物體甚至生物體的功能，然后讓它能夠突破自然生物的局限，就可以大大縮短它的生產(chǎn)周期和降低它的成本。

　　中國科學院副院長、中國科學院院士周琪：這項工作是符合中國科學院在基礎研究領域，以社會的重大需求和人類面臨的重大問題作為我們的出發(fā)點，多學科的交叉和學科的融合，這會是未來科技創(chuàng)新的模式和方式。