近期，中科院天津工业生物技能研究所与中科院大连化学物理研究所等院内外研究团队联合攻关，创制了一条利用二氧化碳和电能合成淀粉的人工路线——ASAP路线，在实验室首次实现了从二氧化碳到淀粉的从头全合成，也使淀粉生产从传统农业栽种模式向工业车间生产模式转变成为可能。
干系科学研究成果的论文24日在线揭橥于国际学术期刊《科学》。

“不依赖植物光合浸染，设计人工生物系统固定二氧化碳，合成淀粉，将是影响天下的的重大颠覆性技能。
”专家表示。

“当现代界面临环球景象变革、粮食安全、能源资源短缺、生态环境污染等一系列重大寻衅，科技创新已成为重塑环球格局、创造人类美好未来的关键成分。
”在中科院副院长周琪看来，二氧化碳的转化利用与人工合成淀粉，正是应对寻衅的重大科技问题之一。

植物光合浸染的瓶颈

中国公民侧重碳水饮食，清代美食家袁枚曾在《随园食单》中这样写到，“粥饭本也，余菜末也”，足见国人对碳水的宠爱。
这里所说的碳水即碳水化合物，由碳、氢、氧组成，是人类生存必不可少的元素。
而淀粉便是“粥饭”中最紧张的碳水化合物，它是面粉、大米、玉米等粮食的紧张身分，占环球热量摄入的 80% 以上，是养活环球人口最主要的食品质料，同时也是主要的工业质料。

多少年来，农作物通过光合浸染，将水、二氧化碳等无机化合物合成可作为动物饲料和人类食品的糖类乃至淀粉等碳水化合物，是地球上最主要的生归天学反应过程。
但这是效率最高的淀粉生产办法吗？

根据论文通讯作者、天津工业生物所所长马延和供应的数据，在玉米等农作物中，将二氧化碳转变为淀粉，涉及约60步代谢反应以及繁芜的生理调控，太阳能的利用效率不敷2%。

“植物经由亿万年进化，适应了自然环境，其固有属性制约了淀粉高效合成。
”马延和称。

有没有一种办法能够摆脱植物来合成淀粉？自合成生物学出身以来，人们就开始考试测验人工构建非自然路子，实现二氧化碳到淀粉的转化，以打破植物媒介光合浸染的瓶颈。

天津工业生物所自2015年起，即聚焦人工合成淀粉与二氧化碳生物转化利用，开展需求导向的科技攻关。

构筑新的人工光合路子

“从能量角度看，光合浸染的实质是将太阳光能转化为储藏在淀粉中的化学能。
”马延和解释。

可如何更高效的将光能转变为化学能？仿照和借鉴自然过程，构筑新的人工光合路子，科研职员想到了光能—电能—化学能的能量转变办法，首先通过光伏发电将光能转变为电能，通过光伏电水解产生氢气，然后通过催化利用氢气将二氧化碳还原天生甲醇，将电能转化为甲醇中储存的化学能，该过程的能量转化效率超过10%，远超光合浸染的能量利用效率。

甲醇储存了来自太阳能的能量，但是自然界中并不存在甲醇合成淀粉的生命过程。
于是，科研职员又利用合成生物学的思想，从海量的生归天学反应数据中设计出了一条仅包含10步主反应的甲醇到淀粉的人工路线ASAP。

为将设计蓝图变为现实，科研职员还挖掘与改造了来自动物、植物、微生物等31个不同物种的62个生物酶催化剂，终极优中选优，利用10个酶逐步将一碳的甲醇转化为三碳的二羟基丙酮，进一步转化为六碳的磷酸葡萄糖，终极合成了直链和支链淀粉。

“这个合成过程涉及二氧化碳和氢气的利用，该研究成果为我们未来通过工业生物制造生产淀粉这种环球性主要物质供应了新的技能路线。
”《科学》杂志***部实行主任梅根·菲兰如是评价。

实际运用还有相称长间隔

“这是‘道法自然’，实现人工光合浸染合成淀粉的一种过程。
”马延和说，从科学打破角度看，这一人工路子的淀粉合成，向设计自然、超越自然目标的实现迈进了一大步，为创建新功能的生物系统供应了新的科学根本。

从技能创新角度看，通过发展高效的人工催化剂和生物酶，研究团队从6568个生化反应中设计形成固碳与人工合成淀粉新路子。
按照20%的光电转化效率打算，这条化学、生物杂合的人工合成淀粉新系统，理论能量转化效率可达7%，其淀粉合成速率比自然光合浸染提高了3.5倍。

详细来说，这意味着什么？论文第一作者、天津工业生物所副研究员蔡韬阐明，按照目前技能参数推算，在能量供给充足的条件下，理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相称于5亩地皮玉米栽种的淀粉产量（按我国玉米淀粉均匀亩产量打算）。
“这一成果为从二氧化碳到淀粉生产的工业车间制造打开了一扇窗。
”

在江南大学原校长、中国工程院院士陈坚看来，食品生产大约霸占了环球40%的耕地，产生了25%的温室气体，作为最紧张的粮食身分之一，淀粉的可持续供应是人类未来面临的主要寻衅。
这项研究成果将化学与生物的方法相结合，采取蛋白质工程和合成生物学等一系列新技能，从二氧化碳直接合成淀粉，完备颠覆了传统的淀粉生产办法。
这项研究事情是范例的从“0”到“1”的原创性成果，它不仅对未来的农业生产，特殊是粮食生产具有革命性的影响，而且对环球生物制造家当的发展具有里程碑式的意义。

马延和表示，如果未来该系统过程本钱能够降落到与农业栽种比较具有经济可行性，将有可能会节约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，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。

不过，他同时强调，目前该成果尚处于实验室阶段，离实际运用还有相称长的间隔，且面临着诸多寻衅。

“后续，研究团队还须要尽快实现从0到1的观点打破到1到10和10到100的转换，终极真正成为办理人类发展面临重大问题和需求的有效手段和工具。
”周琪表示，中科院将集成干系科技力量，一如既往地支持该项研究深入推进。

来源：经济日报

作者：沈慧