中國首次實現人工合成澱粉

中國首次實現人工合成澱粉，是中國科學家歷時6年多科研攻關，繼上世紀60年代在世界上首次完成人工合成結晶牛胰島素之後，又在人工合成澱粉方面取得重大顛覆性、原創性突破——國際上首次在實驗室實現二氧化碳到澱粉的從頭合成。

中國用二氧化碳人工合成澱粉被國際學術界認為是影響世界的重大顛覆性技術，這一成果2021年9月24日在國際學術期刊《科學》發表。

基本介紹

• 中文名：中國首次實現人工合成澱粉
• 涉及領域：科學技術
• 研發單位：中國科學院天津工業生物所、大連化物所
• 發布時間：2021年9月24日

科技背景

澱粉是糧食最主要的成分，同時也是重要的工業原料。澱粉主要由玉米等農作物通過自然光合作用固定二氧化碳生產，澱粉合成與積累涉及60餘步代謝反應以及複雜的生理調控，理論能量轉化效率僅為2%左右。農作物的種植通常需要較長周期，需要使用大量土地、淡水等資源以及肥料、農藥等農業生產資料。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。

澱粉是食物中最重要的營養成分，提供全球超過80%的卡路里，同時也是重要的飼料組分和工業原料。如果生產了近20億噸穀物糧食，其中約12～14億噸是澱粉。

人類持續了1萬多年的農業種植，仍是生產澱粉的唯一途徑，人類早已習慣了這種既有的“造物”方式。

“自然造物”存在其局限性：上億年來，植物吸收了二氧化碳，在溫度、光照、生長周期等因素的複雜調控下，要經過約60步代謝反應和細胞組件間運輸，最終才能通過“光合作用”實現澱粉的合成與積累。

2018年，美國提出了從二氧化碳出發合成葡萄糖（澱粉組分）的百年挑戰計畫。設計人工生物系統，不依賴植物合成澱粉，足以成為影響世界的重大顛覆性技術，“農業工業化”的科技競爭進入了新賽道。

研究歷程

2015年，中國科學院天津工業生物所的科學家們正式向“二氧化碳到人工合成澱粉”這一國家重大前瞻性、戰略性科技問題發起“進攻”。圍繞澱粉人工合成的核心任務，該所總體研究部聯合10餘個研究組形成“攻關團隊”，試著解析二氧化碳電氫還原等方面的“科學密碼”。

歷經6年，中國科學家終於在實驗室“改寫”了自然進化里的光合作用過程——將植物澱粉合成的“羧化-還原-重排-聚合”以及需要組織細胞間轉運的複雜流程，簡化為“還原-轉化-聚合反應”過程，實現了直鏈澱粉和支鏈澱粉的可控合成。

根據技術參數推測，在能量供給充足的條件下，理論上1噸發酵罐年產澱粉，可相當於5畝土地的玉米澱粉的年平均產量，為澱粉生產的車間製造替代農業種植提供了一種可能。

2015年，研究所聚焦人工合成澱粉與二氧化碳生物轉化利用，開展需求導向科技攻關，集聚所內外創新資源，加強“學科-任務-平台”整合，實現各方科研力量的有機融合和高效協同，組建當初平均年齡30周歲的優秀青年科學家團隊，持續6年深耕人工合成澱粉項目研發。

2018年7月24日，也是人工合成澱粉的“誕生日”。隨後，工作人員確認每一步、每一個細節的環境，確認是否是假陽性結果。為保證實驗結果的準確性，團隊立馬設計了重複的實驗。第二天，澱粉藍又如期出現在了試管里，證明成功。

中國創新

在玉米等農作物中，自然光合作用的澱粉合成與積累涉及60多步生化反應以及複雜的生理調控，理論能量轉化效率為2%左右。通過多年研究攻關，中科院天津工業生物所科研團隊聯合大連化物所，採用一種類似“搭積木”的方式，通過耦合化學催化和生物催化模組體系，實現了“光能—電能—化學能”的能量轉變方式，成功構建出一條從二氧化碳到澱粉合成只有11步反應的人工途徑。

該技術自2015年起聚焦人工合成澱粉與二氧化碳生物轉化利用，開展需求導向科技攻關，集聚所內外創新資源，加強“學科-任務-平台”整合，實現各方科研力量的有機融合和高效協同，組建當初平均年齡30周歲的優秀青年科學家團隊，持續6年深耕人工合成澱粉項目研發。

技術突破

中國科技人員從二氧化碳人工合成澱粉這一顛覆性技術是如何實現的，核心突破有三點：

• 亮點1

能量轉化效率提升3.5倍 突破自然光合固碳系統利用太陽能的局限

為了設計超越自然能力的固碳澱粉合成途徑，科研團隊創新地提出將化學與生物催化相耦合的方案，從約7000個生化反應中、構建形成只有11步主反應的固碳澱粉人工合成途徑，將理論能量轉化效率提升3.5倍，使高效固定二氧化碳高效合成澱粉成為可能。

青年科學家團隊從頭設計出11步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從二氧化碳到澱粉分子的全合成。他們採用一種類似“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，最後通過生物途徑最佳化，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）。

• 亮點2

從60多步到11步 突破自然界澱粉合成的複雜調控障礙

在計算設計的人工途徑中，生物酶催化劑是成功構建這條途徑的核心關鍵。科研團隊從動物、植物、微生物等31個不同物種來源挖掘合適的生物酶催化劑，構建了一條只有11步反應的人工澱粉合成途徑，與自然界澱粉合成需要的60多個步驟相比，顯著降低了合成的複雜度。

該團隊還通過耦合化學催化與生物催化模組體系，創新高密度能量與高濃度二氧化碳利用的生物過程技術，通過反應時空分離最佳化，解決人工途徑中底物競爭、產物抑制、熱/動力學匹配等問題，擴展人工光合作用的能力。按照實驗技術參數，在能量供給充足條件下，理論上1立方米大小的生物反應器年產澱粉量相當於5畝土地玉米種植的澱粉產量（按中國玉米澱粉平均畝產量計算）。這一成果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，並為二氧化碳原料合成複雜分子開闢新的技術路線。

• 亮點3

突破天然澱粉合成時空效率不高的限制

由於缺少自然途徑上億年的進化過程，人工途徑中來源於不同物種的生物酶催化劑間存在難以適配的問題。針對這個問題，研究團隊開發了模組組裝最佳化與時空分離反應策略，解決了人工途徑中底物競爭、產物抑制等問題，最終獲得了澱粉合成速率和效率顯著提升的人工途徑。

中國科研團隊採用了一種類似“搭積木”的方式，聯合中國科學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分子中只含有一個碳原子的化合物（簡稱“碳一化合物”），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化合物，最後通過生物途徑最佳化，將碳三化合物又聚合成碳六化合物，再進一步合成直鏈和支鏈澱粉。

社會意義

中國人工合成澱粉是這個領域的一個重大突破，也是從國際上來說第一次（在實驗室）從二氧化碳合成了澱粉的整個的過程，這個過程對生物合成生物製造的領域是一個重大的里程碑式的突破，然後下一步對農業生產、對工業的生物製造實際上提供了一個新的途徑，有非常重大的推進意義。

中國採用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一大步，為創建新功能的生物系統提供新的科學基礎，也將為未來從二氧化碳合成澱粉開闢嶄新道路，使未來澱粉的工業化生物製造成為可能。

中國科學家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，是影響世界的重大顛覆性技術。當“二氧化碳制澱粉”技術被工業化運用後，未來澱粉的生產將通過類似“啤酒發酵”的模式，有可能在車間實現按需定製生產，變革傳統農業種植獲取的生產方式。而當二氧化碳制澱粉的生產工業車間，一旦具有經濟可行性，將有可能會節約90%以上的耕地和淡水資源。

中國人工合成澱粉的成果得到了國內外領域專家的高度評價。《科學》雜誌新聞部執行主任梅根·菲蘭認為，該研究成果將為我們未來通過工業生物製造生產澱粉這種全球性重要物質提供新的技術路線；中科院院士趙國屏表示，這是一項具有“頂天立地”重大意義的科研成果；德國科學院院士、歐洲科學院院士曼弗雷德·雷茲稱，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。