图：中科院天津工业生物所人工合成淀粉团队在实验室工作。\受访者供图

　　中国科学院天津工业生物技术研究所(下称“天津工业生物所”)近期在淀粉人工合成方面取得重大突破性进展，国际上首次在实验室实现了二氧化碳到淀粉的从头合成，毋须依靠农作物光合作用。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，将可能节约90%以上的耕地和淡水资源，促进碳中和的生物经济发展，助力解决全球粮食问题。相关工作于9月24日发表于国际学术期刊《科学》。

　　淀粉是粮食最主要的成分，也是重要的工业原料。农作物通过光合作用，将太阳光能、二氧化碳和水转化为淀粉。可以说，光合作用是地球长期进化中，被自然界选择的利用光能合成淀粉的生命过程。但这并非效率最高的淀粉生产方式。在玉米等农作物中，将二氧化碳转变为淀粉涉及约60步的代谢反应和复杂的生理调控，太阳能的利用效率不超过2%。农作物的种植通常需要数月的周期，需要使用大量土地、淡水等资源，以及肥料、农药等物品。

　　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。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，将是影响世界的重大颠覆性技术。这项技术，日前已在中国取得突破性进展。

　　据介绍，天津工业生物所从头设计了11步主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了从二氧化碳到淀粉分子的全合成。研究团队采用了一种类似“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化合物，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)。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了一大步，为创建新功能的生物系统提供了新的科学基础。

　　从农业种植到车间生产转变

　　中科院副院长周琪表示，这项成果在国际上首次实现了从二氧化碳到淀粉的从头全合成，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，取得了原创性的突破。“成果尚处于实验室阶段，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”，周琪说。

　　谈及人工合成淀粉的示范与工业化问题，论文成果的通讯作者、天津工生所所长马延和表示，希望在未来5-10年内，建立起工业示范，以工业尾气为原料，利用光伏等可再生电源分解水提供氢气，在化学反应器中进行二氧化碳高效还原，在生物反应装置中合成淀粉。“如果人工合成淀粉示范，可以达到理论能力转换效率的80%，从电到淀粉合成的能量转化效率可达41.6%，那么十度电大约可以合成一公斤淀粉”，马延和表示，这项成果具有相当的应用潜力。