我国实现以二氧化碳为原料人工合成淀粉，中国科学家最新实现二氧化碳到淀粉的从头合成的研究成果尚处于实验室阶段，离实际应用还有相当长的距离，我国实现以二氧化碳为原料人工合成淀粉.
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“使淀粉生产的传统农业种植模式，向工业车间生产模式转变成为可能”“将为未来通过工业生物制造生产淀粉这种全球性重要物质提供新的技术路线”“是人类第一次实现了非光合作用的淀粉合成”“将对下一代生物制造和农业发展产生巨大影响”“将有助于解决我们未来面临的重大挑战”……
中国科学家在实验室国际上首次实现二氧化碳到淀粉的从头合成这一重大颠覆性、原创性突破成果论文，24日在国际著名学术期刊《科学》上线发表，也引发中外同行专家聚焦与热议。
中国科学院院士、中科院副院长周琪表示，二氧化碳的转化利用与粮食淀粉工业合成，是应对全球挑战的重大科技问题之一。中科院天津工业生物技术研究所创新科研组织模式与合作研究团队进行联合攻关，按照工程化原理，利用生物计算技术，设计构建出非自然的二氧化碳固定还原与淀粉合成新路径，在实验室国际上首次实现从二氧化碳到淀粉的从头全合成，使淀粉生产的传统农业种植模式，向工业车间生产模式转变成为可能。
美国科学促进会/《科学》杂志新闻部执行主任梅根·菲兰认为，最新成果论文讨论了一种全新的人工合成淀粉(常见的植物碳水化合物)的方法。这个合成过程涉及二氧化碳和氢气的使用，该研究成果将为未来通过工业生物制造生产淀粉这种全球性重要物质提供新的技术路线。
中国工程院院士、南京工业大学原校长欧阳平凯说，中科院天津工业生物技术研究所所长马延和团队完成从二氧化碳合成淀粉的重大科学工程的工作，从二氧化碳到甲醇，然后甲醇进一步合成到淀粉，这是人类第一次实现非光合作用的淀粉合成，对中国、对世界解决二氧化碳生成淀粉这个人类基本的食品和原料的问题以及“碳中和”工作，都有很重要的意义。
“这是一项具有‘顶天立地’重大意义的'科研成果。”中科院院士、中科院分子植物科学卓越创新中心研究员赵国屏指出，马延和团队设计构建了一种新型的淀粉人工合成途径，这一原创性成果是扩展并提升人工光合作用能力前沿研究领域的重大突破，使淀粉生产的传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能。同时，也展现合成生物学工程科学研究策略的巨大潜能，为针对重大应用目标实现中的瓶颈科技问题开展基础研究的战略导向，提供了成功的范例。
中科院院士、中科院分子植物科学卓越中心研究员陈晓亚称，二氧化碳固定是地球上生命赖以生存的基础。马延和团队将无机催化与酶催化相结合，创造性地在体外系统中固定二氧化碳合成淀粉，这是一项了不起的突破，对于植物科学和农业科学研究也很有启发。
中国工程院院士、江南大学原校长陈坚说，这项研究成果是通过化学与生物的方法相结合，主要采用蛋白质工程和合成生物学等一系列新技术，从二氧化碳直接合成淀粉，完全颠覆了传统的淀粉生产方式。马延和团队这个工作是典型的从“0到1”的原创性成果，不仅对未来农业生产特别是粮食生产具有革命性影响，而且对全球生物制造产业发展也有里程碑意义。
“以二氧化碳为原料人工合成淀粉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。”美国工程院院士、瑞典查尔姆斯理工大学教授延斯·尼尔森表示，马延和教授及其团队利用不同种类的酶组成的重组酶系统，将二氧化碳化学催化产生的甲醇成功转化为淀粉，这是一个现代催化化学与合成生物学相结合的精彩案例，“这次重大突破将会为日后更多相关研究铺平道路，这些研究的整合和应用将有助于解决我们未来面临的重大挑战”。
韩国国家科学与工程院院士、韩国科学技术院副院长李相烨认为，马延和教授领导研究团队通过整合化学催化与生物合成，实现将二氧化碳催化为甲醇，并通过多酶生物合成将甲醇转化为淀粉。“这是一项非常了不起的工作”，彰显合成生物学在生物合成途径及酶的设计方面的巨大力量，也显示出将化学和生物相结合的方法对于生物基化学品和材料生产的重要性。
日本神户大学副校长兼教授、日本理化研究所可持续资源科学中心副主任近藤昭彦教授说，马延和教授及其团队在二氧化碳转化合成淀粉方面取得重大突破的这项研究成果非同凡响，“不依赖光合作用从二氧化碳到淀粉的合成无疑是我们长期追求的梦想，我们可以利用合成的淀粉生产各种各样的材料和食品，因此，这项研究成果将对下一代生物制造和农业发展产生巨大影响”。
“众所周知，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。”德国科学院院士、欧洲科学院院士、德国马普煤炭研究所名誉教授曼弗雷德˙雷兹称，马延和教授及其合作者将该领域的研究向前推进了一大步，同时将中科院天津工业生物技术研究所推向国际顶尖水平，他对后续进一步的创新研究充满希望并满怀乐观。
周琪还提醒说，中国科学家最新实现二氧化碳到淀粉的从头合成的研究成果尚处于实验室阶段，离实际应用还有相当长的距离，后续还需要尽快实现从“0到1”的概念突破到“1到10”和“10到100”的转换，最终真正成为解决人类发展面临重大问题和需求的有效手段和工具。
他表示，中科院将集成相关科技力量，持续支持该项研究深入推进。同时，希望中科院天津工业生物技术研究所团队继续聚焦目标任务，对标国家战略需求，进一步加强关键技术攻关，积极探索、深入研究，瞄准技术发展方向，固化该领域的优势地位，加强知识产权保护、成本和竞争力分析，加快推进后续工作。
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植物的光合作用，也许是地球上最重要的化学反应。它可以利用太阳的光照将二氧化碳等无机物合成有机物，让地球充满生机。如何不依赖植物光合作用，设计人工系统固定二氧化碳合成淀粉，将是影响世界的重大颠覆性技术。
近日，这一科学难题被我国科学家率先突破，在实验室实现了国际上首次二氧化碳到淀粉的从头合成。该研究由中国科学院天津工业生物技术研究所完成，相关工作于9月24日发表于国际学术期刊《科学》。
2021年8月30日，中国科学院天津工业生物技术研究所蔡韬副研究员在实验室展示人工合成淀粉样品。中国科学院科技摄影联盟供图
人工光合作用取得新突破
淀粉首次在实验室从头合成
淀粉不仅是粮食的最主要成分，同时也是重要的工业原料。作为一种高分子碳水化合物，它的合成与积累过程事实上相当复杂，涉及60余步代谢反应以及精妙的生理调控。
为了实现淀粉的人工合成，中科院研究团队通过从头设计反应链，仅用11步，在实验室中首次实现了从二氧化碳到淀粉分子的全合成。
论文通讯作者、天津工业生物技术研究所所长马延和介绍，团队采用了一种类似“搭积木”的方式，联合中国科学院大连化学物理研究所，利用化学催化剂将高浓度二氧化碳在高密度氢能作用下还原成分子中只含有一个碳原子的化合物(简称“碳一化合物”)，然后通过设计构建碳一聚合新酶，依据化学聚糖反应原理将碳一化合物聚合成碳三化合物，最后通过生物途径优化，将碳三化合物又聚合成碳六化合物，再进一步合成直链和支链淀粉。
合成速率高于自然植物
打开车间制造窗口
在谈到这项技术未来可能的应用方向时，马延和表示，这一成果使淀粉生产的传统农业种植模式，向工业车间生产模式转变成为可能，并为二氧化碳原料合成复杂分子开辟了新的技术路线。
“这一人工途径的淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。”马延和介绍说，自然界植物合成淀粉的速率其实是相当慢的，这一人工系统的构建，为创建新功能的生物系统提供了新的科学基础。
马延和介绍，按照目前技术参数，在能量供给充足的情况下，理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于5亩土地玉米种植的淀粉年平均产量。经过进一步优化，未来的效率还将进一步提升。
“如果未来该系统过程成本能够降低到与农业种植相比具有经济可行性，将有可能节约90%以上的耕地和淡水资源，避免农药、化肥等对环境的负面影响，提高人类粮食安全水平，促进碳中和的生物经济发展，推动形成可持续的生物基社会。”马延和说。
人工合成淀粉样品。中国科学院科技摄影联盟供图
国内外专家高度评价
是一项“顶天立地”的重大原创成果
当今世界面临全球气候变化、粮食安全、能源资源短缺、生态环境污染等一系列重大挑战，科技创新已成为重塑全球格局、创造人类美好未来的关键因素。二氧化碳的转化利用与粮食淀粉工业合成，正是应对挑战的重大科技问题之一。因此，这一成果一经问世，便得到国内外领域专家的高度评价。
中国工程院院士、江南大学原校长陈坚认为，这项工作是典型的0到1的原创性成果，不仅对未来的农业生产，特别是粮食生产具有革命性的影响，而且对全球生物制造产业的发展具有里程碑式的意义。
中国科学院院士、中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员赵国屏评价说，该工作是扩展并提升人工光合作用能力前沿研究领域的重大突破，是一项具有“顶天立地”重大意义的科研成果。
“这项研究成果将对下一代生物制造和农业发展产生巨大影响。”日本神户大学副校长兼教授、日本理化研究所可持续资源科学中心副主任近藤昭彦表示。
中国科学院副院长周琪指出，这一成果目前尚处于实验室阶段，离实际应用还有相当长的距离，后续还需要尽快实现从“0到1”的概念突破到“1到10”和“10到100”的转换，最终真正成为解决人类发展面临重大问题和需求的有效手段和工具。
“中国科学院将集成相关科技力量，一如既往地支持该项研究深入推进。”周琪表示。
