人工合成淀粉

直接人工合成的淀粉

中国科学家历时6年多科研攻关，继上世纪60年代在世界上首次完成人工合成结晶牛胰岛素之后，中国科学家又在人工合成淀粉方面取得重大颠覆性、原创性突破——国际上首次在实验室实现二氧化碳到淀粉的从头合成。

中国从二氧化碳人工合成淀粉被国际学术界认为是影响世界的重大颠覆性技术，这一成果2021年9月24日在国际学术期刊《科学》发表。^[1]

中文名人工合成淀粉^[1]

性质以二氧化碳为原料，不依赖植物光合作用，直接人工合成的淀粉

研制单位中国科学院天津工业生物所、大连化物所

发布时间2021年9月24日

视频百科

04:34Science杂志重磅：中国科学家（马延和）突破CO₂人工合成淀粉技术

科技背景

淀粉是粮食最主要的成分，同时也是重要的工业原料。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 。^[1]

中国创新

人工合成淀粉样品在玉米等农作物中，自然光合作用的淀粉合成与积累涉及60多步生化反应以及复杂的生理调控，理论能量转化效率为2%左右。通过多年研究攻关，中科院天津工业生物所科研团队联合大连化物所，采用一种类似“搭积木”的方式，通过耦合化学催化和生物催化模块体系，实现了“光能—电能—化学能”的能量转变方式，成功构建出一条从二氧化碳到淀粉合成只有11步反应的人工途径。^[2]

2021年9月24日，中国科学院天津工业生物技术研究所在国际学术期刊《科学》中发表实现了二氧化碳到淀粉的从头合成。^[3]

技术突破

从二氧化碳人工合成淀粉这一颠覆性技术是如何实现的，核心突破究竟在哪儿。

亮点1

能量转化效率提升3.5倍 突破自然光合固碳系统利用太阳能的局限

为了设计超越自然能力的固碳淀粉合成途径，科研团队创新地提出将化学与生物催化相耦合的方案，从约7000个生化反应中、构建形成只有11步主反应的固碳淀粉人工合成途径，将理论能量转化效率提升3.5倍，使高效固定二氧化碳高效合成淀粉成为可能。

亮点2

从60多步到11步 突破自然界淀粉合成的复杂调控障碍

在计算设计的人工途径中，生物酶催化剂是成功构建这条途径的核心关键。科研团队从动物、植物、微生物等31个不同物种来源挖掘合适的生物酶催化剂，构建了一条只有11步反应的人工淀粉合成途径，与自然界淀粉合成需要的60多个步骤相比，显著降低了合成的复杂度。

亮点3

突破天然淀粉合成时空效率不高的限制

由于缺少自然途径上亿年的进化过程，人工途径中来源于不同物种的生物酶催化剂间存在难以适配的问题。针对这个问题，研究团队开发了模块组装优化与时空分离反应策略，解决了人工途径中底物竞争、产物抑制等问题，最终获得了淀粉合成速率和效率显著提升的人工途径。^[2]

参考资料

• [1]

  我国科学家突破人工合成淀粉技术_中国经济网――国家经济门户中国经济网(引用日期 2021-09-24)

• [2]

  我国淀粉人工合成取得重大突破 详细解读→环球网(引用日期 2021-09-26)

• [3]

  跨越式突破!中国首次在实验室实现人工合成淀粉观察者网(引用日期 2021-09-26)

• [4]

  从二氧化碳到淀粉人工合成研究取得原创性突破中国科学院(引用日期 2021-09-26)