前沿丨大连化物所为“二氧化碳到淀粉人工光合成取得原创性突破”添助力辽宁省科协科普辽宁
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。近日，由中国科学院天津工业生物技术研究所（天津工业生物所）联合中国科学院大连化学物理研究所（以下简称“大连化物所”）李灿院士团队等在淀粉人工合成方面取得重大突破性进展，国际上首次在实验室实现了二氧化碳到淀粉的从头合成。相关研究成果9月24日发表于国际学术期刊《科学》。
▲在中国科学院天津工业生物技术研究所实验室，科研人员展示人工合成淀粉样品（9月16日摄）。
目前，淀粉主要由玉米等农作物通过自然光合作用固定二氧化碳生产，其合成与积累涉及60多步代谢反应和复杂的生理调控，理论能量转化效率约为2%。新研究创制了一条利用二氧化碳、水和阳光合成淀粉的人工路线——ASAP路线，在实验室首次实现了从二氧化碳到淀粉的从头全合成。专家认为，不依赖植物光合作用，设计人工生物系统固定二氧化碳，合成淀粉，有望成为影响世界的重大颠覆性技术之一。
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。
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。
▲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（9月16日摄）。
这项突破性进展的人工合成淀粉路线，可以分为两大阶段：光能到化学能的转化和淀粉的合成。其中，光能到化学能的转化由大连化物所太阳能研究部液态阳光团队完成，他们利用取之不尽、用之不竭的太阳能分解水制备绿氢，并通过二氧化碳加氢还原合成甲醇等含能分子（也称液态阳光），完成光能——化学能的转化与存储。甲醇分子把可再生能源存储在液体燃料中，作为后续淀粉合成的碳骨架和能源载体。天津工业生物所则从头设计了11步的非自然二氧化碳固定与淀粉合成反应，在实验室中首次实现了从二氧化碳到淀粉分子的全合成。这一过程中，大连化物所利用人工光电催化将高浓度二氧化碳在高密度太阳能绿氢作用下还原成甲醇化合物，然后，天津工业生物所通过设计构建碳一聚合新酶，依据化学聚糖反应原理等，再进一步合成支链和直链淀粉。这条新途径的淀粉合成效率比自然光合作用提高8倍以上，为解决粮食和饲料等问题提供了重要的理论支撑和技术储备。
该成果也成为化学催化和生物催化交叉耦合的一个典范，得到国内外领域专家的高度评价，认为该工作是“典型的0到1原创性突破”，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”，“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”，“将在下一代生物制造和农业生产中带来变革性影响”。
来源：新华社北斗融媒客户端东北新闻网
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