近期，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所在淀粉的人工合成方面取得重大突破性進(jìn)展，國際上首次實(shí)現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的從頭合成，相關(guān)工作于2021年9月24日發(fā)表于國際頂尖雜志《科學(xué)》。

 中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所馬延和研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，采用一種類似“搭積木”的方式，從頭設(shè)計(jì)、構(gòu)建了11步反應(yīng)的非自然固碳與淀粉合成途徑，在實(shí)驗(yàn)室中首次實(shí)現(xiàn)從二氧化碳到淀粉分子的全合成。核磁共振等檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，人工合成淀粉分子與天然淀粉分子的結(jié)構(gòu)組成一致。     實(shí)驗(yàn)室初步測(cè)試顯示，人工合成淀粉的效率約為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)淀粉的8.5倍。在充足能量供給的條件下，按照目前技術(shù)參數(shù)，理論上1立方米大小的生物反應(yīng)器年產(chǎn)淀粉量相當(dāng)于我國5畝玉米地的年產(chǎn)淀粉量。這條新路線使淀粉生產(chǎn)方式從傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)種植向工業(yè)制造轉(zhuǎn)變成為可能，為從CO2合成復(fù)雜分子開辟了新的技術(shù)路線。

該研究的特點(diǎn)就是：純工業(yè)/實(shí)驗(yàn)室合成，研究路線圖如下：

三大核心突破

>> 亮點(diǎn)一：能量轉(zhuǎn)化效率提升3.5倍 突破自然光合固碳系統(tǒng)利用太陽能的局限。

      為了設(shè)計(jì)超越自然能力的固碳淀粉合成途徑，科研團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新地提出將化學(xué)與生物催化相耦合的方案，從約7000個(gè)生化反應(yīng)中、構(gòu)建形成只有11步主反應(yīng)的固碳淀粉人工合成途徑，將理論能量轉(zhuǎn)化效率提升3.5倍，使高效固定二氧化碳高效合成淀粉成為可能。

>>亮點(diǎn)2：從60多步到11步 突破自然界淀粉合成的復(fù)雜調(diào)控障礙。

      在計(jì)算設(shè)計(jì)的人工途徑中，生物酶催化劑是成功構(gòu)建這條途徑的核心關(guān)鍵。科研團(tuán)隊(duì)從動(dòng)物、植物、微生物等31個(gè)不同物種來源挖掘合適的生物酶催化劑，構(gòu)建了一條只有11步反應(yīng)的人工淀粉合成途徑，與自然界淀粉合成需要的60多個(gè)步驟相比，顯著降低了合成的復(fù)雜度。

>> 亮點(diǎn)3：突破天然淀粉合成時(shí)空效率不高的限制。

     由于缺少自然途徑上億年的進(jìn)化過程，人工途徑中來源于不同物種的生物酶催化劑間存在難以適配的問題。針對(duì)這個(gè)問題，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了模塊組裝優(yōu)化與時(shí)空分離反應(yīng)策略，解決了人工途徑中底物競(jìng)爭(zhēng)、產(chǎn)物抑制等問題，最終獲得了淀粉合成速率和效率顯著提升的人工途徑。