原創(chuàng)性突破！中科院科學(xué)家首次在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)人工合成淀粉

淀粉是小麥、玉米、大米等谷物糧食中最主要的成分，也是重要的工業(yè)原料。不過(guò)目前，人類(lèi)主要通過(guò)農(nóng)業(yè)種植來(lái)生產(chǎn)這種復(fù)雜的多碳化合物。

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如果現(xiàn)在告訴你，我們用一種氣體就可以直接合成淀粉，你會(huì)不會(huì)覺(jué)得像魔法？而這，正是科學(xué)家在做的事情。

近期，中國(guó)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(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的從頭合成，相關(guān)工作于北京時(shí)間2021年9月24日發(fā)表于國(guó)際頂尖雜志《科學(xué)》。（論文鏈接：DOI：10.1126/science.abh4049）

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為什么要嘗試人工合成淀粉？

糧食安全是國(guó)家安全的重要基礎(chǔ)，我國(guó)一直積極推進(jìn)農(nóng)業(yè)生物技術(shù)進(jìn)步，從遺傳雜交育種到分子設(shè)計(jì)育種，從轉(zhuǎn)基因新品種培育到基因編輯技術(shù)育種，我們一直在追趕著國(guó)際科技前沿。

有沒(méi)有可能“換道超車(chē)”？其實(shí)人工合成淀粉的想法由來(lái)已久，即使是替代一部分糧食淀粉作為工業(yè)原料、甚至飼料，也是對(duì)緩解農(nóng)業(yè)壓力的巨大貢獻(xiàn)。

合成生物學(xué)被認(rèn)為是影響未來(lái)的顛覆性技術(shù)。模擬自然作物光合作用，重新設(shè)計(jì)生命合成代謝過(guò)程，設(shè)計(jì)人工生物系統(tǒng),不依賴(lài)植物種植進(jìn)行淀粉制造，潛藏著驚人的變革前景。的確這條路線存在很多的不確定性，科學(xué)問(wèn)題復(fù)雜，技術(shù)路線不清、瓶頸問(wèn)題難測(cè)，但是，科學(xué)研究就需要大膽的實(shí)踐、勇闖無(wú)人區(qū)。

習(xí)總書(shū)記也要求我們，敢于走前人沒(méi)走過(guò)的路，努力實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵核心技術(shù)自主可控，把創(chuàng)新主動(dòng)權(quán)、發(fā)展主動(dòng)權(quán)牢牢掌握在自己手中。我們科技工作者要有強(qiáng)烈的國(guó)家使命感，面向國(guó)家重大戰(zhàn)略需求，在科技工作中做出重大創(chuàng)新貢獻(xiàn)是我們的責(zé)任擔(dān)當(dāng)?！皬亩趸嫉降矸鄣娜斯ず铣伞惫I(yè)路徑是事關(guān)長(zhǎng)遠(yuǎn)和全局的科技戰(zhàn)略制高點(diǎn)。

學(xué)習(xí)植物，利用科學(xué)，我們解決了兩個(gè)問(wèn)題

從二氧化碳到淀粉，也就是從C1（碳一化合物）到Cn（多碳化合物）的過(guò)程，并不容易。

自然界中，玉米等農(nóng)作物中淀粉的合成與積累涉及約60步代謝反應(yīng)以及復(fù)雜的生理調(diào)控，但是理論能量轉(zhuǎn)化效率僅為2%左右。

人工合成淀粉的路，怎么走得又快又好？

首先，我們?cè)O(shè)計(jì)了一條從C1（一碳化合物）到Cn（多碳化合物）的新路徑。

針對(duì)植物只能利用空氣中低濃度二氧化碳（0.04%）、低能量密度的太陽(yáng)能（10 w/m2）、生長(zhǎng)周期長(zhǎng)（3-4個(gè)月）、天然淀粉合成途徑長(zhǎng)（大約60個(gè)步驟）、催化效率低（需要關(guān)鍵酶RuBisco）等關(guān)鍵問(wèn)題，科研人員耦合化學(xué)催化與生物催化技術(shù)，充分發(fā)揮化學(xué)催化速度快與生物催化可合成復(fù)雜化合物的優(yōu)勢(shì)，從頭設(shè)計(jì)和構(gòu)建了從二氧化碳到淀粉合成只有11步反應(yīng)的人工途徑(Artificial Starch Anabolic Pathway, ASAP)，在實(shí)驗(yàn)室中首次實(shí)現(xiàn)了從二氧化碳到淀粉的全合成。

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受天然光合作用的啟發(fā)，科研人員在太陽(yáng)能分解水制綠氫的技術(shù)上，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了高效的化學(xué)催化劑，把二氧化碳還原成甲醇等更容易溶于水的一碳化合物（也就是C1），完成了光能——電能——化學(xué)能的轉(zhuǎn)化，該過(guò)程的能量轉(zhuǎn)化效率超過(guò)10%，遠(yuǎn)超光合作用的能量利用效率（2%），也為后續(xù)進(jìn)一步采用生物催化合成淀粉奠定了理論基礎(chǔ)。

第二，我們用“搭積木”的思維解決了適配性問(wèn)題。

人工合成淀粉的最大挑戰(zhàn)在于，天然淀粉合成途徑是通過(guò)數(shù)億年的自然選擇進(jìn)化而成，各個(gè)酶都能夠很好地適配協(xié)作，而人工設(shè)計(jì)的反應(yīng)途徑卻未必如此完美。

為了解決酶的適配問(wèn)題，基于每個(gè)模塊終產(chǎn)物的碳原子數(shù)量，科研人員采用“模塊化”——“搭積木”的思路，將整條途徑拆分為四個(gè)模塊，分別命名為C1（一碳化合物），C3（三碳化合物），C6（六碳化合物）和Cn（多碳化合物）模塊。每個(gè)模塊的原料和產(chǎn)物都是確定的，但是可以有多種反應(yīng)過(guò)程，科研人員要做的，就是到四個(gè)模塊最佳的組合方式。

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科研人員在解決了熱力學(xué)不匹配、動(dòng)力學(xué)陷阱等問(wèn)題后，對(duì)各模塊進(jìn)行不斷地測(cè)試、組裝與調(diào)整，最終成功創(chuàng)建了ASAP 1.0,實(shí)現(xiàn)了人工淀粉的實(shí)驗(yàn)室合成，該途徑包含了來(lái)自動(dòng)物、植物、微生物等31不同物種的62個(gè)生物酶催化劑。

在此基礎(chǔ)上，科研人員采用蛋白質(zhì)工程改造手段，對(duì)ASAP 1.0中的三個(gè)關(guān)鍵限速步驟進(jìn)行了改造，解決了途徑中的限速酶活性低、輔因子抑制、ATP競(jìng)爭(zhēng)等難題，得到ASAP 2.0，在該途徑中，生物酶催化劑的用量減少了近一倍（44%），淀粉的產(chǎn)率提高了13倍。

進(jìn)一步地，與二氧化碳通過(guò)化學(xué)法還原生成甲醇的反應(yīng)偶聯(lián)，構(gòu)建出包括一個(gè)化學(xué)反應(yīng)單元和一個(gè)多酶反應(yīng)單元的ASAP 3.0，通過(guò)反應(yīng)時(shí)空分離優(yōu)化，解決了途徑中的底物競(jìng)爭(zhēng)、產(chǎn)物抑制、中間產(chǎn)物毒性等問(wèn)題，建立了生化級(jí)聯(lián)反應(yīng)系統(tǒng)，淀粉的產(chǎn)率又提高了10倍，并可實(shí)現(xiàn)直鏈淀粉與支鏈淀粉的可控合成。

可以說(shuō)，該人工系統(tǒng)將植物淀粉合成的羧化-還原-重排-聚合以及需要組織細(xì)胞間轉(zhuǎn)運(yùn)的復(fù)雜過(guò)程簡(jiǎn)化為還原-轉(zhuǎn)化-聚合反應(yīng)過(guò)程。ASAP從太陽(yáng)能到淀粉的能量效率是玉米的3.5倍，淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。

認(rèn)識(shí)自然，學(xué)習(xí)自然，超越自然

按照目前的技術(shù)參數(shù)推算，在能量供給充足的條件下，1立方米大小的生物反應(yīng)器年產(chǎn)淀粉量相當(dāng)于5畝土地玉米種植的淀粉年平均產(chǎn)量，這一成果使淀粉生產(chǎn)的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植模式向工業(yè)車(chē)間生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變成為可能。工業(yè)車(chē)間制造淀粉一旦成功，與農(nóng)業(yè)種植相比，將有就會(huì)節(jié)省超過(guò)90%的土地和淡水資源，而且可以消除化肥和農(nóng)藥對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，這對(duì)提高人類(lèi)糧食安全水平，促進(jìn)碳中和的生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有十分重大的意義。

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可以想象，到時(shí)我們所需的淀粉，可以利用空氣中的二氧化碳作為原料，通過(guò)類(lèi)似生產(chǎn)啤酒發(fā)酵一樣的過(guò)程，在生產(chǎn)車(chē)間中制造出來(lái)，這將對(duì)未來(lái)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、特別是糧食生產(chǎn)具有革命性的影響，而且對(duì)全球生物制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有里程碑式的意義，是一項(xiàng)具有“頂天立地”重大意義的科研成果，是典型的“0”到“1”的原創(chuàng)性突破。

該研究是科研人員從認(rèn)識(shí)自然，到學(xué)習(xí)自然，再到超越自然的過(guò)程。通過(guò)學(xué)習(xí)、研究自然光合作用，使用自然界存在的來(lái)源于不同動(dòng)物、植物、微生物的酶進(jìn)行理性組合設(shè)計(jì)，并且耦合化學(xué)催化、生物催化的各自?xún)?yōu)點(diǎn)，創(chuàng)建的一個(gè)新型人工淀粉合成途徑。

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不過(guò)，雖然目前設(shè)計(jì)、創(chuàng)建超越自然的人工生物系統(tǒng)生產(chǎn)淀粉取得了突破性進(jìn)展，但要真正實(shí)現(xiàn)以二氧化碳為原料工業(yè)制造淀粉，依然任重而道遠(yuǎn)。相信在科研人員的不懈努力下，未來(lái)的“淀粉生產(chǎn)工廠”并不遙遠(yuǎn)。

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作者：孫紅兵，蔡韜，王欽宏

作者單位：中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所

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