澱粉是小麥、玉米、大米等谷物糧食中最主要的成分，也是重要的工業原料。不過目前，人類主要通過農業種植來生産這種複雜的多碳化合物。

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如果現在告訴你，我們用一種氣體就可以直接合成澱粉，你會不會覺得像魔法？而這，正是科學家在做的事情。

近期，中國科學院天津工業生物技術研究所在澱粉的人工合成方面取得重大突破性進展，國際上首次實現了二氧化碳到澱粉的從頭合成，相關工作于北京時間2021年9月24日發表于國際頂尖雜志《科學》。（論文鍊接：DOI：10.1126/science.abh4049）

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為什麼要嘗試人工合成澱粉？

糧食安全是國家安全的重要基礎，我國一直積極推進農業生物技術進步，從遺傳雜交育種到分子設計育種，從轉基因新品種培育到基因編輯技術育種，我們一直在追趕着國際科技前沿。

有沒有可能“換道超車”？其實人工合成澱粉的想法由來已久，即使是替代一部分糧食澱粉作為工業原料、甚至飼料，也是對緩解農業壓力的巨大貢獻。

合成生物學被認為是影響未來的颠覆性技術。模拟自然作物光合作用，重新設計生命合成代謝過程，設計人工生物系統,不依賴植物種植進行澱粉制造，潛藏着驚人的變革前景。的确這條路線存在很多的不确定性，科學問題複雜，技術路線不清、瓶頸問題難測，但是，科學研究就需要大膽的實踐、勇闖無人區。

書記也要求我們，敢于走前人沒走過的路，努力實現關鍵核心技術自主可控，把創新主動權、發展主動權牢牢掌握在自己手中。我們科技工作者要有強烈的國家使命感，面向國家重大戰略需求，在科技工作中做出重大創新貢獻是我們的責任擔當。“從二氧化碳到澱粉的人工合成”工業路徑是事關長遠和全局的科技戰略制高點。

學習植物，利用科學，我們解決了兩個問題

從二氧化碳到澱粉，也就是從C1（碳一化合物）到Cn（多碳化合物）的過程，并不容易。

自然界中，玉米等農作物中澱粉的合成與積累涉及約60步代謝反應以及複雜的生理調控，但是理論能量轉化效率僅為2%左右。

人工合成澱粉的路，怎麼走得又快又好？

首先，我們設計了一條從C1（一碳化合物）到Cn（多碳化合物）的新路徑。

針對植物隻能利用空氣中低濃度二氧化碳（0.04%）、低能量密度的太陽能（10 w/m2）、生長周期長（3-4個月）、天然澱粉合成途徑長（大約60個步驟）、催化效率低（需要關鍵酶RuBisco）等關鍵問題，科研人員耦合化學催化與生物催化技術，充分發揮化學催化速度快與生物催化可合成複雜化合物的優勢，從頭設計和構建了從二氧化碳到澱粉合成隻有11步反應的人工途徑(Artificial Starch Anabolic Pathway, ASAP)，在實驗室中首次實現了從二氧化碳到澱粉的全合成。

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受天然光合作用的啟發，科研人員在太陽能分解水制綠氫的技術上，進一步開發了高效的化學催化劑，把二氧化碳還原成甲醇等更容易溶于水的一碳化合物（也就是C1），完成了光能——電能——化學能的轉化，該過程的能量轉化效率超過10%，遠超光合作用的能量利用效率（2%），也為後續進一步采用生物催化合成澱粉奠定了理論基礎。

第二，我們用“搭積木”的思維解決了适配性問題。

人工合成澱粉的最大挑戰在于，天然澱粉合成途徑是通過數億年的自然選擇進化而成，各個酶都能夠很好地适配協作，而人工設計的反應途徑卻未必如此完美。

為了解決酶的适配問題，基于每個模塊終産物的碳原子數量，科研人員采用“模塊化”——“搭積木”的思路，将整條途徑拆分為四個模塊，分别命名為C1（一碳化合物），C3（三碳化合物），C6（六碳化合物）和Cn（多碳化合物）模塊。每個模塊的原料和産物都是确定的，但是可以有多種反應過程，科研人員要做的，就是到四個模塊最佳的組合方式。

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科研人員在解決了熱力學不匹配、動力學陷阱等問題後，對各模塊進行不斷地測試、組裝與調整，最終成功創建了ASAP 1.0,實現了人工澱粉的實驗室合成，該途徑包含了來自動物、植物、微生物等31不同物種的62個生物酶催化劑。

在此基礎上，科研人員采用蛋白質工程改造手段，對ASAP 1.0中的三個關鍵限速步驟進行了改造，解決了途徑中的限速酶活性低、輔因子抑制、ATP競争等難題，得到ASAP 2.0，在該途徑中，生物酶催化劑的用量減少了近一倍（44%），澱粉的産率提高了13倍。

進一步地，與二氧化碳通過化學法還原生成甲醇的反應偶聯，構建出包括一個化學反應單元和一個多酶反應單元的ASAP 3.0，通過反應時空分離優化，解決了途徑中的底物競争、産物抑制、中間産物毒性等問題，建立了生化級聯反應系統，澱粉的産率又提高了10倍，并可實現直鍊澱粉與支鍊澱粉的可控合成。

可以說，該人工系統将植物澱粉合成的羧化-還原-重排-聚合以及需要組織細胞間轉運的複雜過程簡化為還原-轉化-聚合反應過程。ASAP從太陽能到澱粉的能量效率是玉米的3.5倍，澱粉合成速率是玉米澱粉合成速率的8.5倍。

認識自然，學習自然，超越自然

按照目前的技術參數推算，在能量供給充足的條件下，1立方米大小的生物反應器年産澱粉量相當于5畝土地玉米種植的澱粉年平均産量，這一成果使澱粉生産的傳統農業種植模式向工業車間生産模式轉變成為可能。工業車間制造澱粉一旦成功，與農業種植相比，将有就會節省超過90%的土地和淡水資源，而且可以消除化肥和農藥對環境的負面影響，這對提高人類糧食安全水平，促進碳中和的生物經濟發展具有十分重大的意義。

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可以想象，到時我們所需的澱粉，可以利用空氣中的二氧化碳作為原料，通過類似生産啤酒發酵一樣的過程，在生産車間中制造出來，這将對未來的農業生産、特别是糧食生産具有革命性的影響，而且對全球生物制造産業的發展具有裡程碑式的意義，是一項具有“頂天立地”重大意義的科研成果，是典型的“0”到“1”的原創性突破。

該研究是科研人員從認識自然，到學習自然，再到超越自然的過程。通過學習、研究自然光合作用，使用自然界存在的來源于不同動物、植物、微生物的酶進行理性組合設計，并且耦合化學催化、生物催化的各自優點，創建的一個新型人工澱粉合成途徑。

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不過，雖然目前設計、創建超越自然的人工生物系統生産澱粉取得了突破性進展，但要真正實現以二氧化碳為原料工業制造澱粉，依然任重而道遠。相信在科研人員的不懈努力下，未來的“澱粉生産工廠”并不遙遠。

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作者：孫紅兵，蔡韬，王欽宏

作者單位：中國科學院天津工業生物技術研究所

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