重大突破！中國在實驗室「種」出澱粉
中國科學院天津工業生物技術研究所（下稱「天津工業生物所」）近期在澱粉人工合成方面取得重大突破性進展，國際上首次在實驗室實現了二氧化碳到澱粉的從頭合成，毋須依靠農作物光合作用。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，將可能節約90%以上的耕地和淡水資源，促進碳中和的生物經濟發展，助力解決全球糧食問題。相關工作於9月24日發表於國際學術期刊《科學》。
中科院天津工業生物所人工合成澱粉團隊在實驗室工作（受訪者供圖）
澱粉是糧食最主要的成分，也是重要的工業原料。農作物通過光合作用，將太陽光能、二氧化碳和水轉化為澱粉。可以說，光合作用是地球長期進化中，被自然界選擇的利用光能合成澱粉的生命過程。但這並非效率最高的澱粉生產方式。在玉米等農作物中，將二氧化碳轉變為澱粉涉及約60步的代謝反應和複雜的生理調控，太陽能的利用效率不超過2%。農作物的種植通常需要數月的周期，需要使用大量土地、淡水等資源，以及肥料、農藥等物品。
人工合成澱粉實物（記者劉凝哲攝）
糧食危機、氣候變化是人類面臨的重大挑戰，糧食澱粉可持續供給、二氧化碳轉化利用是當今世界科技創新的戰略方向。不依賴植物光合作用，設計人工生物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。這項技術，日前已在中國取得突破性進展。
據介紹，天津工業生物所從頭設計了11步主反應的非自然二氧化碳固定與人工合成澱粉新途徑，在實驗室中首次實現了從二氧化碳到澱粉分子的全合成。研究團隊採用了一種類似「搭積木」的方式，聯合中科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碳一（C1）化合物，然後通過設計構建碳一化合物，依據化學聚糖反應原理將碳一化合物聚合成碳三（C3）化合物，最後通過生物途徑優化，將碳三化合物又聚合成碳六（C6）化合物，再進一步合成直鏈和支鏈澱粉（Cn化合物）。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，向設計自然、超越自然目標的實現邁進了一大步，為創建新功能的生物系統提供了新的科學基礎。
從農業種植到車間生產轉變
中科院副院長周琪表示，這項成果在國際上首次實現了從二氧化碳到澱粉的從頭全合成，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，取得了原創性的突破。
「成果尚處於實驗室階段，離實際應用還有相當長的距離，後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」，周琪說。
談及人工合成澱粉的示範與工業化問題，論文成果的通訊作者、天津工生所所長馬延和表示，希望在未來5-10年內，建立起工業示範，以工業尾氣為原料，利用光伏等可再生電源分解水提供氫氣，在化學反應器中進行二氧化碳高效還原，在生物反應裝置中合成澱粉。「如果人工合成澱粉示範，可以達到理論能力轉換效率的80%，從電到澱粉合成的能量轉化效率可達41.6%，那麼十度電大約可以合成一公斤澱粉」，馬延和表示，這項成果具有相當的應用潛力。
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