二氧化碳直接合成澱粉，中國科學家新突破：1立方米反應器頂5畝地

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機器之心編輯部

以後「喝西北風」可能不是玩笑話了。

這是一個顛覆性的研究成果：人類首次實現了二氧化碳到澱粉的從頭合成的技術突破。不需要種地，也不需要水培艙，只需要二氧化碳和氫氣互相進行化學反應。

據介紹，這一人工途徑的澱粉合成速率是玉米澱粉合成速率的 8。5 倍，向設計自然的實現邁進了一大步，為建立新功能的生物系統提供了新的科學基礎，也將為未來從二氧化碳合成澱粉開闢了嶄新道路，使未來澱粉的工業化生物製造成為可能。

澱粉是由許多葡萄糖單元透過糖苷鍵連線而成的聚合碳水化合物，是人類飲食的主要成分、重要的能量來源，廣泛存在於馬鈴薯、小麥、玉米、大米、木薯等主食中。

它也是一種被廣泛應用的工業原料，被用於造紙、服裝、塑膠等領域。目前人們主要透過玉米、小麥、紅薯等農作物透過光合作用固定二氧化碳生產澱粉。在植物體內，這個過程涉及大約 60 步生化反應、複雜的生理調節，理論上總體能量轉換效率在 2% 左右。

為克服糧食危機、耕地面積減少和氣候變化等人類面臨的重大挑戰，我們需要制定可持續供應澱粉和使用二氧化碳的戰略，設計除植物光合作用之外的新途徑將二氧化碳轉化為澱粉。這是一項重要的科技創新任務，將成為當今世界的重大顛覆性技術。

近期，中國科學院天津工業生物技術研究所在澱粉人工合成方面取得重大突破性進展，在國際上首次在實驗室實現了二氧化碳到澱粉的從頭合成。相關成果剛剛在國際頂級期刊《科學》雜誌上發表。

論文連結：https：//www。science。org/doi/10。1126/science。abh4049

天津工業生物所聯合中科院大連化學物理研究所的研究者設計了一條利用二氧化碳和電解產生的氫氣合成澱粉的人工路線。這條路線僅涉及 11 步核心生化反應，澱粉合成速率是玉米澱粉合成速率的 8。5 倍。

「

這也意味著，我們所需要的澱粉，今後可以將二氧化碳作為原料，透過類似釀造啤酒的過程，在生產車間中製造出來。

」天津工業生物所所長馬延和表示。

研究者建立的新路線是透過「搭積木」的方式建立的，他們整合了化學和生物的催化模組，以生物技術創新的方式利用了高密度能量和高濃度二氧化碳。研究人員解決了底物競爭、產物抑制和熱力學適應等問題，使用空間和時間分隔系統地優化了這種混合系統。

人工合成澱粉的路線圖。

簡單說來，這個方法的流程是：首先把二氧化碳用無機催化劑還原為甲醇，再將甲醇轉換為三碳，使用三碳合成為六碳，最後聚合成為澱粉。

從吸收光譜分析、核磁共振訊號上來看，人工合成的澱粉和天然澱粉非常接近。

研究者表示，該研究主要有三大亮點：

能量轉化效率提升 3.5 倍

，突破了自然光合固碳系統利用太陽能的侷限。為了設計超越自然能力的固碳澱粉合成途徑，研究人員提出了將化學與生物催化相融合的方案，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。

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。

突破了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。

人造澱粉合成代謝途徑的設計和模組化組裝。

透過人工合成的方式直接高效地將二氧化碳轉化為澱粉，意味著我們向超越自然農業的方向邁出了一大步。新研究為建立具有前所未有功能的生物系統提供了科學基礎。

「

按照目前的技術引數，在能量供給充足的條件下，1 立方米大小的生物反應器年產澱粉量相當於 5 畝土地的玉米澱粉年平均產量，為澱粉生產的車間製造替代農業種植提供了一種可能。如果未來該系統過程的成本能夠降低到具有經濟可行性，將可能節約 90% 以上的耕地和淡水資源，避免農藥、化肥等對環境的影響。

」論文一作蔡韜表示。

該研究的通訊作者馬延和說：「如果未來該過程的總體成本能夠降低到經濟上可與農業種植相媲美的水平，預計將節省 90% 以上的耕地和淡水資源。」

業內評價

該研究在學術界引發了人們的關注和討論。

中國科學院院士、中科院副院長周琪表示，二氧化碳的轉化利用與糧食澱粉工業合成，是應對全球挑戰的重大科技問題之一。中科院天津工業生物技術研究所創新科研組織模式與合作研究團隊進行聯合攻關，按照工程化原理，利用生物計算技術，設計構建出非自然的二氧化碳固定還原與澱粉合成新路徑，在實驗室國際上首次實現從二氧化碳到澱粉的從頭全合成，

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

。

《科學》雜誌新聞部執行主任梅根 · 菲蘭認為，最新成果論文討論了一種全新的人工合成澱粉（常見的植物碳水化合物）的方法。這個合成過程涉及二氧化碳和氫氣的使用，

該研究成果將為未來透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

。

中國工程院院士、江南大學原校長陳堅說，這項研究成果是透過化學與生物的方法相結合，主要採用蛋白質工程和合成生物學等一系列新技術，從二氧化碳直接合成澱粉，完全顛覆了傳統的澱粉生產方式。馬延和團隊這個工作是典型的從「0 到 1」的原創性成果，不僅對未來農業生產特別是糧食生產具有革命性影響，而且對全球生物製造產業發展也有里程碑意義。「以二氧化碳為原料人工合成澱粉是利用合成生物學解決當今社會面臨的若干重大挑戰的驚人案例。」

美國工程院院士、瑞典查爾姆斯理工大學教授延斯 · 尼爾森表示，馬延和教授及其團隊利用不同種類的酶組成的重組酶系統，將二氧化碳化學催化產生的甲醇成功轉化為澱粉，

這是一個現代催化化學與合成生物學相結合的精彩案例

，「這次重大突破將會為日後更多相關研究鋪平道路，這些研究的整合和應用將有助於解決我們未來面臨的重大挑戰」。

日本神戶大學副校長兼教授、日本理化研究所可持續資源科學中心副主任近藤昭彥教授說，馬延和教授及其團隊在二氧化碳轉化合成澱粉方面取得重大突破的這項研究成果非同凡響，「

不依賴光合作用從二氧化碳到澱粉的合成無疑是我們長期追求的夢想，我們可以利用合成的澱粉生產各種各樣的材料和食品，因此，這項研究成果將對下一代生物製造和農業發展產生巨大影響

」。「眾所周知，將二氧化碳固定並轉化為有用的有機化學品是一項重大的國際挑戰。」

該研究第一作者，中科院天津工業生物技術研究所蔡韜副研究員。

研究團隊介紹

本文一作蔡韜是中國科學院天津工業生物技術研究所副研究員，主要研究 LysR 家族轉錄調控蛋白調控機理的研究及應用。他 2009 年在南京農業大學獲得博士學位，後赴美國賓夕法尼亞大學醫學院學習，2012 年到天津工業生物所工作。

本文通訊作者馬延和是中國科學院天津工業生物技術研究所所長，主要研究極端微生物的認識與利用，包括極端環境的微生物區系生態與生物多樣性、極端微生物生理機制與功能多樣性、極端微生物特殊功能與產物的開發和利用。他 2005 年在江南大學取得博士學位，2018 年開始擔任天津工業生物技術研究所所長，曾獲國家科學技術發明二等獎、中科院發明獎等榮譽。

從左至右：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。圖源：新華社。

參考連結：

https：//baijiahao。baidu。com/s？id=1711743935237251853&wfr=spider&for=pc

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https：//phys。org/news/2021-09-chinese-scientists-starch-synthesis-carbon。html

https：//share。api。weibo。cn/share/252203411。html？weibo_id=4684859409433566