植物的光合作用，也许是地球上最重要的化学反应。它可以利用太阳的光照将二氧化碳等无机物合成有机物，让地球充满生机。如何不依赖植物光合作用，设计人工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。
近日，这一科学难题被我国科学家率先突破，在实验室实现了国际上首次二氧化碳到淀粉的从头合成。该研究由中国科学院天津工业生物技术研究所完成，相关工作于9月24日发表于国际学术期刊《科学》。
2021年8月30日，中国科学院天津工业生物技术研究所蔡韬副研究员在实验室展示人工合成淀粉样品。中国科学院科技摄影联盟供图
人工光合作用取得新突破
淀粉首次在实验室从头合成
淀粉不仅是粮食的最主要成分，同时也是重要的工业原料。作为一种高分子碳水化合物，它的合成与积累过程事实上相当复杂，涉及60余步代谢反应以及精妙的生理调控。
为了实现淀粉的人工合成，中科院研究团队通过从头设计反应链，仅用11步，在实验室中首次实现了从二氧化碳到淀粉分子的全合成。
论文通讯作者、天津工业生物技术研究所所长马延和介绍，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分子中只含有一个碳原子的化合物（简称“碳一化合物”），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化合物，再进一步合成直链和支链淀粉。
合成速率高于自然植物
打开车间制造窗口
在谈到这项技术未来可能的应用方向时，马延和表示，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。
“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。”马延和介绍说，自然界植物合成淀粉的速率其实是相当慢的，这一人工系统的构建，为创建新功能的生物系统提供了新的科学基础。
马延和介绍，按照目前技术参数，在能量供给充足的情况下，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。经过进一步优化，未来的效率还将进一步提升。
“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。”马延和说。
人工合成淀粉样品。中国科学院科技摄影联盟供图
国内外专家高度评价
是一项“顶天立地”的重大原创成果
当今世界面临全球气候变化、粮食安全、能源资源短缺、生态环境污染等一系列重大挑战，科技创新已成为重塑全球格局、创造人类美好未来的关键因素。二氧化碳的转化利用与粮食淀粉工业合成，正是应对挑战的重大科技问题之一。因此，这一成果一经问世，便得到国内外领域专家的高度评价。
中国工程院院士、江南大学原校长陈坚认为，这项工作是典型的0到1的原创性成果，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。
中国科学院院士、中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员赵国屏评价说，该工作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。
“这项研究成果将对下一代生物制造和农业发展产生巨大影响。”日本神户大学副校长兼教授、日本理化研究所可持续资源科学中心副主任近藤昭彦表示。
中国科学院副院长周琪指出，这一成果目前尚处于实验室阶段，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。
“中国科学院将集成相关科技力量，一如既往地支持该项研究深入推进。”周琪表示。
