我国从二氧化碳到淀粉人工合成取得原创性突破

近日，从中国科学院获悉，近期，中国科学院天津工业生物技术研究所（以下简称“天津工业生物所”）在淀粉人工合成方面取得重大突破性进展，国际上首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成。相关工作于9月24日发表于国际学术期刊《科学》。

据介绍，淀粉是粮食最主要的成分，同时也是重要的工业原料。目前淀粉主要由玉米等农作物通过自然光合作用固定二氧化碳生产，淀粉合成与积累涉及约60步代谢反应以及复杂的生理调控，理论能量转化效率仅为2%左右。农作物的种植通常需要较长周期，需要使用大量土地、淡水等资源以及肥料、农药等农业生产资料。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。

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，联合中国科学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聚合新酶，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。

该研究通过耦合化学催化与生物催化模块体系，创新了高密度能量与高浓度二氧化碳利用的生物过程技术，通过反应时空分离优化，解决了人工途径中底物竞争、产物抑制、热/动力学匹配等问题，扩展了人工光合作用的能力。按照目前技术参数推算，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当于5亩土地玉米种植的淀粉年平均产量。这一成果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，并为二氧化碳原料合成复杂分子开辟了新的技术路线。

该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，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，将有可能节约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。

天津工业生物所自2015年起，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，集聚所内外创新资源，加强“学科-任务-平台”整合，实现各方科研力量的有机融合和高效协同。研究所根据项目研究需求进行人才布局，组建了当初平均年龄30周岁的优秀青年科学家团队，充分发挥各成员学科优势与技术特色，实行“项目制”管理机制，集中力量攻克难题。在这种开放、集成的新型科研组织模式下，团队成员为做一件事、一个目标、一个任务，深耕六个春秋。

该成果得到国内外领域专家的高度评价，认为该工作是“典型的0到1原创性突破”，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，是一项具有‘顶天立地’重大意义的科研成果，”“不仅对未来的农业生产、特别是粮食生产具有革命性的影响，而且对全球生物制造产业的发展具有里程碑式的意义，”“将在下一代生物制造和农业生产中带来变革性影响。”

该研究工作获得了中国科学院重点部署项目、天津市合成生物技术创新能力提升行动等项目前瞻性的资助和支持，是国家合成生物技术创新中心的重点研究方向。 （曲照贵 冯毅飞）