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，首次在實驗室實現了二氧化碳到澱粉的從頭合成。該成果為從二氧化碳到澱粉生產的工業車間製造打開了一扇窗，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，將可能會節約90%以上的耕地和淡水資源，促進碳中和的生物經濟發展，推動形成可持續的生物基社會。國內外相關領域的專家們評價這是「典型的0到1原創性突破」，是「擴展並提升人工光合作用能力前沿研究領域的重大突破」的科研成果。相關研究成果今日（24日）發表於國際學術期刊《科學》（Science）。
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。
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聚合新酶，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。
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。周琪說:「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」。
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。
不僅如此，天津工業生物所科研團隊還通過採用合成生物技術方式，以微生物細胞作為細胞工廠，只需要酵母、細菌等做「底盤」，已實現人蔘皂苷、番茄紅素、燈盞花素、天麻素等眾多天然產物的人工生物合成，形成了新的製造模式。以天麻素為例，其生物合成成本是植物提取的1/200、化學合成的1/2-1/3，生產效率大幅提升。像紅景天苷，這種成分只有在生長于海拔4000米以上的紅景天中才能提取到，現已經實現車間發酵生產。合成生物技術的應用，將改變農業傳統產業模式，為社會經濟問題提供解決方案，創造價值鏈高端的新經濟增長點。
推進「雙碳」目標實現的技術路線提供新思路
2020年9月22日，中國政府在第七十五屆聯合國大會上提出：「中國將提高國家自主貢獻力度，採取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭於2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。」此次，中國科學家成功構建出非細胞系統中用二氧化碳和電解產生的氫氣合成澱粉的化學-生物法聯合的人工合成澱粉途徑(ASAP)，將為推進碳達峰和碳中和目標實現的技術路線提供了一種新思路。
地球的大氣由氮氣（約78%）、氧氣（約21%）、氬氣（約0.9%）以及一些微量氣體如二氧化碳、甲烷等組成，氮氣和氧氣共佔大氣成份99%，但卻不是溫室氣體，而二氧化碳只佔約0.04%，卻是大氣是地球溫度的主控鈕。為此，中國提出了碳達峰和碳中和目標。
「這項技術在碳中和方面的意義是非常重要的，如果能夠把空氣中的二氧化碳『抓』下來，用化學、生物合成的步驟，脫離生命體系，實現人工合成澱粉，那麼就形成了『固體陽光』」，中國科學院院士、中科院北京生命科學研究院院長康樂說，如果能夠不斷就此進行循環，產生的澱粉及分解物，可以成為所有食物化工材料、生物製藥、基礎物質材料，這項工作的意義非常大，「怎麼評價都不過分」。
相關領域專家高度評價
Jens Nielsen瑞典查爾姆斯理工大學教授美國工程院院士、中國工程院外籍院士延斯·尼爾森說，以二氧化碳為原料人工合成澱粉是利用合成生物學解決當今社會面臨的若干重大挑戰的驚人案例。這次重大突破將會為日後更多相關研究鋪平道路，這些研究的整合和應用將有助於解決我們未來面臨的重大挑戰。
韓國科學技術院化學與生物分子工程系資深教授韓國科學技術院副院長韓國國家科學與工程院院士、美國工程院外籍院士李相燁表示，這是一項非常了不起的工作，彰顯了合成生物學在生物合成途徑及酶的設計方面的巨大力量，也顯示出將化學和生物相結合的方法對於生物基化學品和材料生產的重要性。
Manfred T. Reetz德國馬普煤炭研究所名譽教授、德國科學院院士、歐洲科學院院士曼弗雷德·雷茲則說，將二氧化碳固定並轉化為有用的有機化學品是一項重大的國際挑戰，本項工作將該領域的研究向前推進了一大步，同時將天津工業生物技術研究所推向了國際頂尖水平，他對後續進一步的創新研究充滿希望並滿懷樂觀。
（點新聞記者劉凝哲北京報道）
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