以二氧化碳为原料 不依赖植物光合作用我国科学家突破二氧化碳人工合成淀粉技术 将对下一代生物制造和农业发展带来变革性影响
科研人员展示人工合成淀粉样品
成果
此次研究设计、组装出一种自然界不存在的合成代谢途径，并使其工作效率大幅高于自然生物过程，跨越了自然途径数亿年的进化。这一突破，为淀粉的车间生产打开一扇窗口，并为二氧化碳原料合成复杂分子开辟了新的技术路线
效率
人工合成淀粉的效率约为传统农业生产淀粉的8.5倍。在充足能量供给的条件下，按照目前技术参数，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亩玉米地的年产淀粉量
影响
本项工作将该领域研究向前推进了一大步，这是利用合成生物学解决当今社会面临的若干重大挑战的惊人案例，将为日后更多相关研究铺平道路。这项研究成果将对下一代生物制造和农业发展带来变革性影响
远景
人工合成淀粉的新反应途径相当于汽车发动机，酵母细胞相当于汽车底盘，下一步要把发动机放到底盘上安装好，对酵母细胞进行系统设计与改造，搭建一个淀粉合成的“细胞工厂”进行规模化生产
以二氧化碳为原料，不依赖植物光合作用，直接人工合成淀粉——看似科幻的一幕，真实地发生在实验室里。我国科学家首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成，相关成果北京时间24日由国际知名学术期刊《科学》在线发表。
中国科学院天津工业生物技术研究所研究员马延和带领团队，采用一种类似“搭积木”的方式，从头设计、构建了11步反应的非自然固碳与淀粉合成途径，在实验室中首次实现从二氧化碳到淀粉分子的全合成。核磁共振等检测发现，人工合成淀粉分子与天然淀粉分子的结构组成一致。
实验室初步测试显示，人工合成淀粉的效率约为传统农业生产淀粉的8.5倍。在充足能量供给的条件下，按照目前技术参数，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亩玉米地的年产淀粉量。
马延和介绍，此次研究设计、组装出一种自然界不存在的合成代谢途径，并使其工作效率大幅高于自然生物过程，跨越了自然途径数亿年的进化。这一突破，为淀粉的车间生产打开一扇窗口，并为二氧化碳原料合成复杂分子开辟了新的技术路线。
这一突破得到该领域一批国际知名专家的高度评价。德国科学院院士曼弗雷德·雷兹表示，将二氧化碳固定并转化为有用的有机化学品是一项重大的国际挑战，本项工作将该领域研究向前推进了一大步。美国工程院院士延斯·尼尔森表示，这是利用合成生物学解决当今社会面临的若干重大挑战的惊人案例，将为日后更多相关研究铺平道路。
中国工程院院士陈坚表示，这个工作是典型的“0到1”的原创性成果。神户大学副校长近藤昭彦表示，这项研究成果将对下一代生物制造和农业发展带来变革性影响。
据了解，经科技部批准，天津工业生物所正在牵头建设国家合成生物技术创新中心。科研团队的下一步目标，一方面是继续攻克淀粉合成人工生物系统的设计、调控等底层科学难题，另一方面要推动成果走向产业应用，未来让人工合成淀粉的经济可行性接近农业种植。
新闻纵深
为“细胞工厂”打开一扇窗
从分子生物学到合成生物学，科技进步已经让酶的定向改造日益成熟，并广泛应用于食品生产、疫苗开发、农业病虫害防治等领域。理论上，大多数食品和石油化学品都可以借助合成生物学技术制得。
不依赖传统农业种植，人工“制造”粮食——瞄准“农业工业化”这一远景，多国科学家各显身手，展开攻关。
“为未来的‘细胞工厂’打开了一扇窗。”对于此次研究的应用前景，论文第一作者、天津工业生物所副研究员蔡韬打了一个比方：人工合成淀粉的新反应途径相当于汽车发动机，酵母细胞相当于汽车底盘，下一步要把发动机放到底盘上安装好，对酵母细胞进行系统设计与改造，搭建一个淀粉合成的“细胞工厂”进行规模化生产。
不过，“细胞工厂”生产粮食的希望实现之前，科学家还需先攻克多重难关。
“我们目前对很多生命过程的理解还不到位。”马延和说，未来搭建“细胞工厂”面临着人工生命设计、合成、调控等诸多基础科学挑战，需要化学、物理、工程等学科与生物学的长期交叉研究。
此外，要让人工合成淀粉与农业种植相比具有经济可行性，也需要一个艰难、持续的科技攻关过程。
中科院副院长周琪表示，这一成果目前尚处于实验室阶段，离实际应用还有很长的距离，后续需尽快实现从“0到1”概念突破到“1到10”的转换。
“十四五”规划和2035年远景目标纲要中，合成生物被专门列入科技前沿领域攻关的范畴。
“这是针对重大应用目标实现中的瓶颈科技问题开展基础研究。”中国科学院院士赵国屏评价。
在科学家眼里，人工合成淀粉未来如果进入实际应用，不仅能节约耕地和淡水资源、进一步保障粮食安全，还将带来诸多想象空间。
中国科学院院士康乐认为，人工合成淀粉过程中“抓”住的二氧化碳，若能远多于排放的二氧化碳，就可以进一步挖掘潜力，为碳达峰碳中和做出更大贡献。
中国工程院院士岳国君举例说，人工合成淀粉的中间产品，比如葡萄糖，可发酵生产醇、酸、酮等平台化合物，广泛用于生产塑料、纤维和橡胶。
“在社会重大需求中提炼科学问题，在回答科学问题中取得重要突破，这就是我们要做的基础研究。”周琪说。本组文图均据新华社
新闻背景
人工合成淀粉
科技领域一个重大课题
淀粉是粮食最主要的成分，通常由农作物通过自然光合作用固定二氧化碳生产。自然界的淀粉合成与积累，涉及60余步生化反应以及复杂的生理调控。人工合成淀粉是科技领域一个重大课题。此前，多国科学家积极探索，但一直未取得实质性重要突破。
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