二氧化碳人工合成淀粉技術團隊對相關問題解讀及其生物降解行業意義

淀粉是人類最根本和最重要的食物，也是重要的工業原料。傳統淀粉的生產主要靠玉米等農作物通過光合作用，將二氧化碳等無機化合物合成為淀粉，需要漫長的生長周期，波及60余步生化反饋，對土地、水、肥料、日照等資源都有要求，能量的轉化率也不高，而人工淀粉合成一直是一個未被攻破的難題。

中國科學院天津工業生物技術研究所和中國科學院大連化學物理研究所的科學家們合作，探索出一條「無中生有」的技術路線，在國際上首次實現了二氧化碳到淀粉分子的全合成。

相關研究成果以「Cell-freechemoenzymaticstarchsynthesisfromcarbondioxide」為題發表于9月24日國際學術期刊?Science》上，中科院天津工業生物技術研究所副研究員蔡韜擔任共同第一作者，馬延和為通訊作者。

以工業生產中排放的高濃度二氧化碳作為原料，使用高密度電/氫能和化學催化劑將二氧化碳復原為甲醇。再通過設計構筑一種全新的重組酶，利用酶的催化將甲醇聚合為碳三化合物，進一步聚合成碳六化合物，最終組裝成直鏈/支鏈淀粉，合成了與天然淀粉成分完全相同的人工淀粉。

蔡韜在實驗室展示人工合成淀粉樣品|圖源：新華社

在實驗室中，這一合成路徑能以22納摩爾每分每毫克的速率將二氧化碳轉化為淀粉，是自然環境中玉米通過光合作用合成淀粉的速率的8.5倍，能量效率是玉米的3.5倍。在充足能量供應的條件下，按照目前技術參數，1立方米大小的生物反饋器年產淀粉量能可與我國5畝玉米地相當。

科研團隊喬婧科研助理、蔡韜副研究員、馬延和研究員、朱蕾蕾研究員、孫紅兵科研助理〔從左至右〕合影

多位中外專家評論認為，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淀粉，將是影響世界的重大顛覆性技術。這更讓人們看到一種可能——農業可以由種植模式向工業車間生產模式轉變，人類向設計自然、超越自然目標的實現邁進了一大步，為創立新功能的生物系統提供了新的科學根底。

目前，這一成果尚處于實驗室階段，離實際應用還有相當長的距離。據介紹，科研人員正在針對工業化的問題進行攻關，比方解決酶的穩定性、活力、本錢等問題，探索多條技術路線等，預計未來5到10年能夠建立起工業化示范裝置。

相關問題解答引援自中國科普博覽對研究團隊，中國科學院天津工業生物技術研究所的孫紅兵、蔡韜、王欽宏三位老師的采訪。

1.以后都不用種地了嗎？

不是的。首先，目前的研究成果還處于實驗室階段，其次，后期考慮先替代工業淀粉。

2.這項研究厲害在哪兒？

自然界的淀粉合成需要60多步復雜的反饋和精細的調控，目前，這條人工合成路徑只需要11步！能讓我們未來能夠像工業發酵生產啤酒一樣生產淀粉。

這是一項中國科學家做出的原創性重大突破，由中科院天津工業生物所科研團隊聯合大連化學物理研究所完成。

這里需要特別注意的是，科學家們并不是將60多步刪刪減減，就得到11步，而是重新設計出了一條路。

他們首先從很多種生物的生物化學反饋中，計算出了一條極簡路徑，但是這個路徑是計算出來的，實際操作中各個步驟之間不太兼容，比方所需要的反饋條件不太一樣?？茖W家們又通過模塊化思維，選擇不同的反饋過程，才摸索出了這條11步的反饋路徑。

然后，科學家們又通過蛋白質生物項目改造伎倆和反饋時空別離，提高反饋效率和速度。

就是現在大家看到的這個人工合成辦法啦！

3.和天然合成的淀粉相比，味道如何？

這……也不舍得品嘗啊?。?/p>

不過，現在的辦法已經可以實現直鏈淀粉和支鏈淀粉的可控合成了！

4.關于能耗和本錢

不少人關懷能耗問題，目前研究處于實驗室階段，生產全程的能耗還沒有準確計算，但是工業化之前這個問題大家一定能得到答案，一步步來。

還有不少人問本錢，同樣的原因～再次強調，研究目前還處于實驗室階段，別的不說，就說酶，酶有多貴如果不知道的話可以問一下學生物的朋友……這也是大規模工業化之前必須解決的問題，一步步來。

5.接下來還會做什么？

雖然現在的結果非常振奮人心，但是理論上，這一辦法的能量利用效率和合成速率比現在的結果更高，科學家們還將繼續優化這一過程，沖擊更高的反饋效率和速度！

6.有沒有可能“換道超車〞？

其實人工合成淀粉的想法由來已久，即使是替代一局部糧食淀粉作為工業原料、甚至飼料，也是對緩解農業壓力的巨大奉獻。

合成生物學被認為是影響未來的顛覆性技術。模擬自然作物光合作用，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淀粉制造，潛藏著驚人的變革前景。確實這條路線存在很多的不確定性，科學問題復雜，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。

國家要求我們，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、開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奉獻是我們的責任擔當。“從二氧化碳到淀粉的人工合成〞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

從二氧化碳到淀粉，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，玉米等農作物中淀粉的合成與積累波及約60步代謝反饋以及復雜的生理調控，但是理論能量轉化效率僅為2%左右。

7.人工合成淀粉的路，怎么走得又快又好？

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。

針對植物只能利用空氣中低濃度二氧化碳〔0.04%〕、低能量密度的太陽能〔10w/m2〕、生長周期長〔3-4個月〕、天然淀粉合成途徑長〔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，充沛發揮化學催化速度快與生物催化可合成復雜化合物的優勢，從頭設計和構建了從二氧化碳到淀粉合成只有11步反饋的人工途徑(ArtificialStarchAnabolicPathway,ASAP)，在實驗室中首次實現了從二氧化碳到淀粉的全合成。

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，把二氧化碳復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%〕，也為后續進一步采用生物催化合成淀粉奠定了理論根底。

第二，我們用“搭積木〞的思維解決了適配性問題。

人工合成淀粉的最大挑戰在于，天然淀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適配協作，而人工設計的反饋途徑卻未必如此完美。

為了解決酶的適配問題，基于每個模塊終產物的碳原子數量，科研人員采用“模塊化〞——“搭積木〞的思路，將整條途徑拆分為四個模塊，分別命名為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。每個模塊的原料和產物都是確定的，但是可以有多種反饋過程，科研人員要做的，就是到四個模塊最正確的組合方式。

科研人員在解決了熱力學不匹配、動力學陷阱等問題后，對各模塊進行不斷地測試、組裝與調整，最終成功創立了1.0版途徑，實現了人工淀粉的實驗室合成，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。

在此根底上，科研人員采用蛋白質項目改造伎倆，對1.0版途徑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競爭等難題，得到2.0版途徑。

在2.0版途徑中，生物酶催化劑的用量減少為1.0版本用量的50%左右，淀粉的產率提高了13倍。

進一步地，與二氧化碳通過化學法復原生成甲醇的反饋偶聯，構建出包括一個化學反饋單元和一個多酶反饋單元的3.0版本，通過反饋時空別離優化，解決了途徑中的底物競爭、產物抑制、中間產物毒性等問題，建立了生化級聯反饋系統，淀粉的產率又提高了10倍，并可實現直鏈淀粉與支鏈淀粉的可控合成。

可以說，該人工系統將植物淀粉合成的羧化-復原-重排-聚合以及需要組織細胞間轉運的復雜過程簡化為復原-轉化-聚合反饋過程，目前，根據數據推算，使用人工合成辦法，從太陽能到淀粉的能量效率是玉米的3.5倍，淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的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，在能量供應充足的條件下，1立方米大小的生物反饋器年產淀粉量相當于5畝土地玉米種植的淀粉年平均產量，這一成果使淀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。

工業車間制造淀粉一旦成功，與農業種植相比，將有時機節省超過90%的土地和淡水資源，而且可以打消化肥和農藥對環境的負面影響，這對提高人類糧食平安水平，促進碳中和的生物經濟開展具有十分重大的意義。

可以想象，到時我們所需的淀粉，可以利用空氣中的二氧化碳作為原料，通過類似生產啤酒發酵一樣的過程，在生產車間中制造出來，這將對未來的農業生產、特別是糧食生產具有革命性的影響，而且對全球生物制造產業的開展具有里程碑式的意義，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。

事件意義〔宏觀意義〕

目前國內經常談起的“碳中和/碳達峰〞，本質來說就是環節并解決全球變暖這一問題，人工合成淀粉是解決這一難題的新希望。

先不說什么尾氣排放、工業生產帶來的碳排放有多大，大家每天也看得見摸得著。2022年巴西境內的那場亞馬遜雨林大火。大火之前的20年里，整個亞馬遜雨林每年為地球減少17億噸的二氧化碳排放量，然而單是因為2022年的那場大火，亞馬遜雨林就已經排放了超過36億噸二氧化碳。

這36億噸，放到2022年就是全球碳排放總和的十分之一。并且因為二氧化碳的過度排放，在過去100年里，全球氣溫已經回升了0.85攝氏度，海平面回升了1.5米。

專家預測，如果二氧化碳排放量再不加以控制，到了2500年，僅南極冰川融化就能使海平面回升15米。所以各個國家為了減排，真的是費盡心力，什么碳獎勵、碳收集、碳固化，連大家在螞蟻森林的沙漠里種的一棵棵沙棘樹也是為了減少碳排放。

如果能把二氧化碳成功的轉換成淀粉成功工業化，“一拍即合〞，無疑是一件利于全球生態治理的好事。

事件意義〔對生物基塑料行業意義〕

目前可以規?；a的生物基塑料主要是聚乳酸〔PLA〕。PLA的原料是乳酸，而