我國實現以二氧化碳為原料人工合成澱粉，中國科學家最新實現二氧化碳到澱粉的從頭合成的研究成果尚處於實驗室階段，離實際應用還有相當長的距離，我國實現以二氧化碳為原料人工合成澱粉.
我國實現以二氧化碳為原料人工合成澱粉1
“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”“將為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”“是人類第一次實現了非光合作用的澱粉合成”“將對下一代生物製造和農業發展產生巨大影響”“將有助於解決我們未來面臨的重大挑戰”……
中國科學家在實驗室國際上首次實現二氧化碳到澱粉的從頭合成這一重大顛覆性、原創性突破成果論文，24日在國際著名學術期刊《科學》上線發表，也引發中外同行專家聚焦與熱議。
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。
美國科學促進會/《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。
中國工程院院士、南京工業大學原校長歐陽平凱說，中科院天津工業生物技術研究所所長馬延和團隊完成從二氧化碳合成澱粉的重大科學工程的工作，從二氧化碳到甲醇，然後甲醇進一步合成到澱粉，這是人類第一次實現非光合作用的澱粉合成，對中國、對世界解決二氧化碳生成澱粉這個人類基本的食品和原料的問題以及“碳中和”工作，都有很重要的意義。
“這是一項具有‘頂天立地’重大意義的'科研成果。”中科院院士、中科院分子植物科學卓越創新中心研究員趙國屏指出，馬延和團隊設計構建了一種新型的澱粉人工合成途徑，這一原創性成果是擴充套件並提升人工光合作用能力前沿研究領域的重大突破，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。同時，也展現合成生物學工程科學研究策略的巨大潛能，為針對重大應用目標實現中的瓶頸科技問題開展基礎研究的戰略導向，提供了成功的範例。
中科院院士、中科院分子植物科學卓越中心研究員陳曉亞稱，二氧化碳固定是地球上生命賴以生存的基礎。馬延和團隊將無機催化與酶催化相結合，創造性地在體外系統中固定二氧化碳合成澱粉，這是一項了不起的突破，對於植物科學和農業科學研究也很有啟發。
中國工程院院士、江南大學原校長陳堅說，這項研究成果是通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”。
韓國國家科學與工程院院士、韓國科學技術院副院長李相燁認為，馬延和教授領導研究團隊通過整合化學催化與生物合成，實現將二氧化碳催化為甲醇，並通過多酶生物合成將甲醇轉化為澱粉。“這是一項非常了不起的工作”，彰顯合成生物學在生物合成途徑及酶的設計方面的巨大力量，也顯示出將化學和生物相結合的方法對於生物基化學品和材料生產的重要性。
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。”德國科學院院士、歐洲科學院院士、德國馬普煤炭研究所名譽教授曼弗雷德˙雷茲稱，馬延和教授及其合作者將該領域的研究向前推進了一大步，同時將中科院天津工業生物技術研究所推向國際頂尖水平，他對後續進一步的創新研究充滿希望並滿懷樂觀。
周琪還提醒說，中國科學家最新實現二氧化碳到澱粉的從頭合成的研究成果尚處於實驗室階段，離實際應用還有相當長的距離，後續還需要儘快實現從“0到1”的概念突破到“1到10”和“10到100”的轉換，最終真正成為解決人類發展面臨重大問題和需求的有效手段和工具。
他表示，中科院將整合相關科技力量，持續支援該項研究深入推進。同時，希望中科院天津工業生物技術研究所團隊繼續聚焦目標任務，對標國家戰略需求，進一步加強關鍵技術攻關，積極探索、深入研究，瞄準技術發展方向，固化該領域的優勢地位，加強知識產權保護、成本和競爭力分析，加快推進後續工作。
我國實現以二氧化碳為原料人工合成澱粉2
植物的光合作用，也許是地球上最重要的化學反應。它可以利用太陽的光照將二氧化碳等無機物合成有機物，讓地球充滿生機。如何不依賴植物光合作用，設計人工系統固定二氧化碳合成澱粉，將是影響世界的重大顛覆性技術。
近日，這一科學難題被我國科學家率先突破，在實驗室實現了國際上首次二氧化碳到澱粉的從頭合成。該研究由中國科學院天津工業生物技術研究所完成，相關工作於9月24日發表於國際學術期刊《科學》。
2021年8月30日，中國科學院天津工業生物技術研究所蔡韜副研究員在實驗室展示人工合成澱粉樣品。中國科學院科技攝影聯盟供圖
人工光合作用取得新突破
澱粉首次在實驗室從頭合成
澱粉不僅是糧食的最主要成分，同時也是重要的工業原料。作為一種高分子碳水化合物，它的合成與積累過程事實上相當複雜，涉及60餘步代謝反應以及精妙的生理調控。
為了實現澱粉的人工合成，中科院研究團隊通過從頭設計反應鏈，僅用11步，在實驗室中首次實現了從二氧化碳到澱粉分子的全合成。
論文通訊作者、天津工業生物技術研究所所長馬延和介紹，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，最後通過生物途徑優化，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。
合成速率高於自然植物
開啟車間製造視窗
在談到這項技術未來可能的應用方向時，馬延和表示，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，併為二氧化碳原料合成複雜分子開闢了新的技術路線。
“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。”馬延和介紹說，自然界植物合成澱粉的速率其實是相當慢的，這一人工系統的構建，為建立新功能的生物系統提供了新的科學基礎。
馬延和介紹，按照目前技術引數，在能量供給充足的情況下，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年平均產量。經過進一步優化，未來的效率還將進一步提升。
“如果未來該系統過程成本能夠降低到與農業種植相比具有經濟可行性，將有可能節約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展，推動形成可持續的生物基社會。”馬延和說。
人工合成澱粉樣品。中國科學院科技攝影聯盟供圖
國內外專家高度評價
是一項“頂天立地”的重大原創成果
當今世介面臨全球氣候變化、糧食安全、能源資源短缺、生態環境汙染等一系列重大挑戰，科技創新已成為重塑全球格局、創造人類美好未來的關鍵因素。二氧化碳的轉化利用與糧食澱粉工業合成，正是應對挑戰的重大科技問題之一。因此，這一成果一經問世，便得到國內外領域專家的高度評價。
中國工程院院士、江南大學原校長陳堅認為，這項工作是典型的0到1的原創性成果，不僅對未來的農業生產，特別是糧食生產具有革命性的影響，而且對全球生物製造產業的發展具有里程碑式的意義。
中國科學院院士、中國科學院分子植物科學卓越創新中心研究員趙國屏評價說，該工作是擴充套件並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。
“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。”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表示。
中國科學院副院長周琪指出，這一成果目前尚處於實驗室階段，離實際應用還有相當長的距離，後續還需要儘快實現從“0到1”的概念突破到“1到10”和“10到100”的轉換，最終真正成為解決人類發展面臨重大問題和需求的有效手段和工具。
“中國科學院將整合相關科技力量，一如既往地支援該項研究深入推進。”周琪表示。
