Science重磅：我国科学家突破CO₂人工合成淀粉技术，速率是传统农业的8.5倍！

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TK生物基材料报道，以二氧化碳为原料，不依赖植物光合作用，直接人工合成淀粉——看似科幻的一幕，真实地发生在实验室里。我国科学家首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成。

相关研究成果以题为“Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide”发表于最新一期《Science》上，并被新华社、科技日报争相报道。

9月23日拍摄的新闻发布会现场。新华社记者 金立旺 摄

1.车间光合作用，二氧化碳生产淀粉

淀粉是粮食最主要的成分，通常由农作物通过自然光合作用固定二氧化碳生产。自然界的淀粉合成与积累，涉及60余步生化反应以及复杂的生理调控。人工合成淀粉是科技领域一个重大课题。此前，多国科学家积极探索，但一直未取得实质性重要突破。

9月23日，中国科学院天津工业生物技术研究所马延和研究员在发布会上向媒体介绍研究成果。新华社记者 金立旺 摄

中国科学院天津工业生物技术研究所研究员马延和带领团队，采用一种类似“搭积木”的方式，从头设计、构建了11步反应的非自然固碳与淀粉合成途径，在实验室中首次实现从二氧化碳到淀粉分子的全合成。核磁共振等检测发现，人工合成淀粉分子与天然淀粉分子的结构组成一致。

图 1. 人造淀粉合成代谢途径的设计和模块化组装

实验室初步测试显示，人工合成淀粉的效率约为传统农业生产淀粉的8.5倍。在充足能量供给的条件下，按照目前技术参数，理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于我国5亩玉米地的年产淀粉量。

马延和介绍，此次研究设计、组装出一种自然界不存在的合成代谢途径，并使其工作效率大幅高于自然生物过程，跨越了自然途径数亿年的进化。这一突破，为淀粉的车间生产打开一扇窗口，并为二氧化碳原料合成复杂分子开辟了新的技术路线。

科研团队乔婧科研助理、蔡韬副研究员、马延和研究员、朱蕾蕾研究员、孙红兵科研助理（从左至右）在中国科学院天津工业生物技术研究所实验室合影（9月16日摄）。新华社记者 金立旺 摄

2.国际知名专家纷纷做出高度评价

对于此次成果，德国科学院院士曼弗雷德 雷兹、美国工程院院士延斯 尼尔森等国际知名专家均给予高度评价，认为这一重大突破将该领域研究向前推进了一大步。

在中国科学院天津工业生物技术研究所实验室，科研人员展示人工合成淀粉样品（9月16日摄）。新华社记者 金立旺 摄

“这是一项具有‘顶天立地’重大意义的科研成果。”中科院院士赵国屏指出，马延和团队设计构建了一种新型的淀粉人工合成途径，这一原创性成果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，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。

同时，也展现合成生物学工程科学研究策略的巨大潜能，为针对重大应用目标实现中的瓶颈科技问题开展基础研究的战略导向，提供了成功的范例。

“以二氧化碳为原料人工合成淀粉是利用合成生物学解决当今社会面临的若干重大挑战的惊人案例。”美国工程院院士延斯·尼尔森表示，马延和教授及其团队利用不同种类的酶组成的重组酶系统，将二氧化碳化学催化产生的甲醇成功转化为淀粉，这是一个现代催化化学与合成生物学相结合的精彩案例，

“这次重大突破将会为日后更多相关研究铺平道路，这些研究的整合和应用将有助于解决我们未来面临的重大挑战”。

日本神户大学副校长兼教授近藤昭彦教授说，马延和教授及其团队在二氧化碳转化合成淀粉方面取得重大突破的这项研究成果非同凡响，

“不依赖光合作用从二氧化碳到淀粉的合成无疑是我们长期追求的梦想，我们可以利用合成的淀粉生产各种各样的材料和食品，因此，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”。

“众所周知，将二氧化碳固定并转化为有用的有机化学品是一项重大的国际挑战。”德国科学院院士曼弗雷德˙雷兹称。

但距离实际应用，中科院副院长周琪说，成果目前尚处于实验室阶段，离实际应用还有距离，后续需尽快实现从“0到1”概念突破到“1到10”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（9月16日摄）。新华社记者 金立旺 摄

据了解，目前经科技部批准，天津工业生物所正在牵头建设国家合成生物技术创新中心。科研团队的下一步目标，一方面是继续攻克淀粉合成人工生物系统的设计、调控等底层科学难题，另一方面要推动成果走向产业应用，未来让人工合成淀粉的经济可行性接近农业种植。

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