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近期，中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所（以下簡稱“天津工業(yè)生物所”）在淀粉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淀粉的從頭合成。相關工作于9月24日發(fā)表于國際學術期刊《科學》。
淀粉是糧食最主要的成分，同時也是重要的工業(yè)原料。目前淀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，淀粉合成與積累涉及60余步生化反應以及復雜的生理調控，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(yè)生產資料。糧食危機、氣候變化是人類面臨的重大挑戰(zhàn)，糧食淀粉可持續(xù)供給、二氧化碳轉化利用是當今世界科技創(chuàng)新的戰(zhàn)略方向。不依賴植物光合作用，設計人工生物系統(tǒng)固定二氧化碳合成淀粉，將是影響世界的重大顛覆性技術。
天津工業(yè)生物所從頭設計了11步反應的非自然二氧化碳固定與淀粉合成新途徑，在實驗室中首次實現了從二氧化碳到淀粉分子的全合成。研究團隊采用了一種類似“搭積木”的方式，聯(lián)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碳一（C1）化合物，然后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，最后通過生物途徑優(yōu)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淀粉（Cn化合物）。這一人工途徑的淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍，系統(tǒng)適配跨越了自然途徑數億年的進化，向設計自然、超越自然目標的實現邁進了一大步，為創(chuàng)建新功能的生物系統(tǒng)提供了新的科學基礎。
該研究通過耦合化學催化與生物催化模塊體系，創(chuàng)新了高密度能量與高濃度二氧化碳利用的生物過程技術，通過反應時空分離優(yōu)化，解決了人工途徑中底物競爭、產物抑制、熱/動力學匹配等問題，擴展了人工光合作用的能力。按照目前技術參數，理論上1立方米大小的生物反應器年產淀粉量相當于5畝土地玉米種植的淀粉產量（按我國玉米淀粉平均畝產量計算）。這一成果使淀粉生產的傳統(tǒng)農業(yè)種植模式向工業(yè)車間生產模式轉變成為可能，并為二氧化碳原料合成復雜分子開辟了新的技術路線。
該成果為從二氧化碳到淀粉生產的工業(yè)車間制造打開了一扇窗，如果未來該系統(tǒng)過程成本能夠降低到與農業(yè)種植相比具有經濟可行性，將會節(jié)約90%以上的耕地和淡水資源，避免農藥、化肥等對環(huán)境的負面影響，提高人類糧食安全水平，促進碳中和的生物經濟發(fā)展，推動形成可持續(xù)的生物基社會。
天津工業(yè)生物所自2015年起，聚焦人工合成淀粉與二氧化碳生物轉化利用，開展需求導向的科技攻關，集聚所內外創(chuàng)新資源，加強“學科—任務—平臺”整合，實現各方科研力量的有機融合和高效協(xié)同。研究所根據項目研究需求進行人才布局，組建了當初平均年齡30周歲的優(yōu)秀青年科學家團隊，充分發(fā)揮各成員學科優(yōu)勢與技術特色，實行“項目制”管理機制，集中力量攻克難題。在這種開放、集成的新型科研組織模式下，團隊成員為做一件事、一個目標、一個任務，深耕六個春秋。
該成果得到國內外領域專家的高度評價，認為該工作是“典型的0到1原創(chuàng)性突破”，是“擴展并提升人工光合作用能力前沿研究領域的重大突破，是一項具有‘頂天立地’重大意義的科研成果?！薄安粌H對未來的農業(yè)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(yè)的發(fā)展具有里程碑式的意義?！薄皩⒃谙乱淮镏圃旌娃r業(yè)生產中帶來變革性影響?！?/p>
該研究工作獲得了中國科學院重點部署項目、天津市合成生物技術創(chuàng)新能力提升行動等項目前瞻性的資助和支持，是國家合成生物技術創(chuàng)新中心的重點研究方向。（記者張鵬輝）
責任編輯：張鵬輝
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