人工合成澱粉

2021年中國首次人工合成的澱粉

中國科學家歷時6年多科研攻關，繼上世紀60年代在世界上首次完成人工合成結晶牛胰島素之後，中國科學家又在人工合成澱粉方面取得重大顛覆性、原創性突破——國際上首次在實驗室實現二氧化碳到澱粉的從頭合成 。中國從二氧化碳人工合成澱粉被國際學術界認為是影響世界的重大顛覆性技術，這一成果2021年9月24日在國際學術期刊《科學》發表。

基本資訊

中文名 人工合成澱粉

適用領域 科學技術創新

研製單位 中國科學院天津工業生物所、大連化物所

釋出時間

2021年9月24日

研究進展

2021年9月23日，中國科學院召開本年度首場新聞釋出會，介紹該院天津工業生物技術研究所在人工合成澱粉方面取得的重要進展。該所研究人員提出了一種顛覆性的澱粉製備方法，不依賴植物光合作用，以二氧化碳、電解產生的氫氣為原料，成功生產出澱粉，在國際上首次實現了二氧化碳到澱粉的從頭合成，使澱粉生產從傳統農業種植模式向工業車間生產模式轉變成為可能，取得原創性突破。相關研究成果9月24日線上發表於《科學》雜誌。[1]

科技背景

澱粉是糧食最主要的成分，同時也是重要的工業原料。澱粉主要由玉米等農作物透過自然光合作用固定二氧化碳生產，澱粉合成與積累涉及60餘步代謝反應以及複雜的生理調控，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週期，需要使用大量土地、淡水等資源以及肥料、農藥等農業生產資料。糧食危機、氣候變化是人類面臨的重大挑戰，糧食澱粉可持續供給、二氧化碳轉化利用是當今世界科技創新的戰略方向 。

人工合成澱粉

中國創新

在玉米等農作物中，自然光合作用的澱粉合成與積累涉及60多步生化反應以及複雜的生理調控，理論能量轉化效率為2%左右。透過多年研究攻關，中科院天津工業生物所科研團隊聯合大連化物所，採用一種類似“搭積木”的方式，透過耦合化學催化和生物催化模組體系，實現了“光能—電能—化學能”的能量轉變方式，成功構建出一條從二氧化碳到澱粉合成只有11步反應的人工途徑 。

2021年9月24日，中國科學院天津工業生物技術研究所在國際學術期刊《科學》中發表實現了二氧化碳到澱粉的從頭合成。

技術突破

從二氧化碳人工合成澱粉這一顛覆性技術是如何實現的，核心突破究竟在哪兒。

亮點1

能量轉化效率提升3.5倍突破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，科研團隊創新地提出將化學與生物催化相耦合的方案，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。

亮點2

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。

亮點3

突破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 。

社會意義

華人工合成澱粉是這個領域的一個重大突破，也是從國際上來說第一次（在實驗室）從二氧化碳合成了澱粉的整個的過程，這個過程對生物合成生物製造的領域是一個重大的里程碑式的突破，然後下一步對農業生產、對工業的生物製造實際上提供了一個新的途徑，有非常重大的推進意義 。

如果未來二氧化碳人工合成澱粉的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，將會節約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，推動形成可持續的生物基社會，提高人類糧食安全水平。同時，最新研究成果實現於無細胞系統中用二氧化碳和電解產生的氫氣合成澱粉的化學-生物法聯合的人工澱粉合成途徑(ASAP)，為推進“碳達峰”和“碳中和”目標實現的技術路線提供一種新思路 。

CO2在電氫還原作用下生成甲醇，再經過碳碳縮合反應生成C3，而C3是一個重要中間體，包括DHA（二羥丙酮）、DHAP（磷酸二羥丙酮）。之後再經過三碳縮合反應就可以生成C6，也就是葡萄糖單體，最後經生物聚合就可以生成澱粉。

人工合成澱粉的技術工藝路線大致為：CO2→C1→FADH→DHA→DHAP→GAP→F-6-P→G-6-P→G-1-P→G→澱粉，整個過程涉及11步重要的生化反應。而在自然條件下，光反應和暗反應涉及的化學反應則有60多步，而且效率較低。

無論是自然合成還是人工合成，其產物都是葡萄糖，在聚合方式上會有所差異。葡萄糖分子如果呈直線聚合，則形成直鏈澱粉，如果交叉排列，則形成支鏈澱粉。