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世界首次！我国实现人工合成淀粉，《Science》重磅报道！有望获诺奖！

2021-10-19 15:20:10 0 615

研究背景

对于淀粉，我们再熟悉不过了，我们每天吃的米饭和粥中，它是最主要的碳水化合物。淀粉是由葡萄糖分子聚合而成的高分子碳水化合物，基本构成单位为α-D-吡喃葡萄糖，分子式为(C₆H₁₀O₅)n。

淀粉是食品和动物饲料的主要热量成分，也是重要的工业原料。淀粉颗粒中的直链淀粉和支链淀粉聚合物由通过α-1，4-糖苷键线性连接的葡萄糖残基链组成，在支链淀粉的情况下，中间穿插着α-1，6糖苷键的分支点。绿色植物中的淀粉合成涉及大约60个步骤和复杂的调节。尽管已经做了许多努力来提高植物中淀粉的产量，但光合作用的低效和淀粉生物合成的复杂性是障碍。

目前，淀粉主要由绿色植物通过光合作用固定二氧化碳进行合成。在玉米等农作物中，将二氧化碳转变为淀粉涉及60余步的代谢反应和复杂的生理调控，太阳能的理论利用效率不超过2%。农作物的种植通常需要数月的周期，使用大量的土地、淡水、肥料等资源。

根本上说，淀粉是以绿色植物为反应器，以二氧化碳为原料合成而来的。如果人类掌握了这一系列反应的秘密，就可以甩开植物，直接从二氧化碳来合成淀粉。

这不是幻想，就在今天，我国科学家成功实现了！

研究成果

为解决这一世界难题，今日，中国科学院天津工业生物技术研究所所长马延和课题组报道了一种在无细胞系统中由二氧化碳(CO₂)和氢气合成淀粉的化学-生化混合途径。人工淀粉合成代谢途径(ASAP)由11个核心反应组成，通过计算途径设计起草，通过模块化组装和替代建立，并通过三种瓶颈相关酶的蛋白质工程优化。在具有空间和时间分离的化学酶体系中，由氢气驱动的ASAP以每毫克催化剂每分钟消耗22 nmol的CO₂来合成淀粉，比玉米中的淀粉合成速率高约8.5倍。这种方法为未来从二氧化碳合成化学-生物杂化淀粉开辟了道路。相关研究工作以“Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide”为题发表在国际顶级期刊《Science》上。

这里介绍一下论文通讯作者马延和研究员，男，汉族，1961年10月生，河北盐山人，农工党成员，1983年8月参加工作，在职研究生学历，工学博士，研究员。现任天津市第十七届人大常委会副主任，农工党中央常委、天津市委会主委、滨海新区区委会主委，中国科学院天津工业生物技术研究所所长，滨海新区政协副主席(兼)。曾获2000年度国家科学技术发明二等奖及中国科学院发明二等奖、“九五”国家重点攻关计划全国先进个人、中国科学院第六届十大杰出青年等荣誉。

图文速递

图1. 人工淀粉合成代谢途径的设计和模块化组装

图2. 解决人工淀粉合成代谢途径（ASAP）主要瓶颈

9月23日，中国科学院召开本年度首场新闻发布会，介绍该院天津工业生物技术研究所在人工合成淀粉方面取得的重要进展。该所研究人员提出了一种颠覆性的淀粉制备方法，不依赖植物光合作用，以二氧化碳、电解产生的氢气为原料，成功生产出淀粉，在国际上首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成，使淀粉生产从传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能，取得原创性突破。

“长期以来，科研人员一直在努力改进光合作用这一生命过程，希望提高二氧化碳的转化速率和光能的利用效率，最终提升淀粉的生产效率。”论文通讯作者、中科院天津工业生物技术研究所所长马延和说。

研究团队采用了一种类似“搭积木”的方式，联合中科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碳一（C1）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（C3）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（C6）化合物，再进一步合成直链和支链淀粉（Cn化合物）。

图3使用CO₂经ASAP合成淀粉

“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，向设计自然、超越自然目标的实现迈进了一大步，为创建新功能的生物系统提供了新的科学基础。”论文第一作者、中科院天津工业生物技术研究所副研究员蔡韬说。

结论与展望

淀粉是粮食最主要的成分，同时也是重要的工业原料。目前，淀粉主要由玉米等农作物通过自然光合作用固定二氧化碳生产，淀粉合成与积累涉及60余步代谢反应以及复杂的生理调控，理论能量转化效率仅为2%左右。农作物的种植通常需要较长周期，需要使用大量土地、淡水等资源以及肥料、农药等农业生产资料。粮食危机、气候变化是人类面临的重大挑战，粮食淀粉可持续供给、二氧化碳转化利用是当今世界科技创新的战略方向。而不依赖植物光合作用，设计人工生物系统固定二氧化碳合成淀粉，是影响世界的重大颠覆性技术。

在充足能量供给的条件下，按照目前的技术参数推算，理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于我国5亩土地玉米种植的平均年产量。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。

马延和表示，该成果为从二氧化碳到淀粉生产的工业车间制造打开了一扇窗，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，将会节约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。

此外，该成果也得到了国内外领域专家的高度评价。《科学》杂志新闻部执行主任梅根·菲兰认为，该研究成果将为我们未来通过工业生物制造生产淀粉这种全球性重要物质提供新的技术路线；中科院院士赵国屏表示，这是一项具有“顶天立地”重大意义的科研成果；德国科学院院士、欧洲科学院院士曼弗雷德·雷兹称，本项工作将该领域的研究向前推进了一大步，同时将天津工业生物技术研究所推向了国际顶尖水平。

文章链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh4049

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