中國科學家從二氧化碳到澱粉人工合成取得原創性突破

（香港文匯網記者 劉凝哲 北京報道）中國科學院天津工業生物技術研究所（下稱「天津工業生物所」）近期在澱粉人工合成方面取得重大突破性進展，國際上首次在實驗室實現了二氧化碳到澱粉的從頭合成。該成果為從二氧化碳到澱粉生產的工業車間製造打開了一扇窗，如果未來該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，將可能會節約90%以上的耕地和淡水資源，促進碳中和的生物經濟發展，推動形成可持續的生物基社會。國內外領域專家們評價這是「典型的0到1原創性突破」，是「擴展並提升人工光合作用能力前沿研究領域的重大突破」的科研成果。相關研究成果於9月24日發表於國際學術期刊《科學》。

澱粉是糧食最主要的成分，也是重要的工業原料。農作物通過光合作用，將太陽光能、二氧化碳和水轉化為澱粉。可以說，光合作用是地球長期進化中，被自然界選擇的利用光能合成澱粉的生命過程。但這並非效率最高的澱粉生產方式。在玉米等農作物中，將二氧化碳轉變為澱粉涉及約60步的代謝反應和複雜的生理調控，太陽能的利用效率不超過2%。農作物的種植通常需要數月的周期，需要使用大量土地、淡水等資源，以及肥料、農藥等物品。

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。不依賴植物光合作用，設計人工生物系統固定二氧化碳合成澱粉，將是影響世界的重大顛覆性技術。這項技術，日前已在中國取得突破性進展。

據介紹，天津工業生物所從頭設計了11步主反應的非自然二氧化碳固定與人工合成澱粉新途徑，在實驗室中首次實現了從二氧化碳到澱粉分子的全合成。研究團隊採用了一種類似「搭積木」的方式，聯合中科院大連化學物理研究所，利用化學催化劑將高濃度二氧化碳在高密度氫能作用下還原成碳一（C1）化合物，然後通過設計構建碳一聚合新酶，依據化學聚糖反應原理將碳一化合物聚合成碳三（C3）化合物，最後通過生物途徑優化，將碳三化合物又聚合成碳六（C6）化合物，再進一步合成直鏈和支鏈澱粉（Cn化合物）。這一人工途徑的澱粉合成速率是玉米澱粉合成速率的8.5倍，向設計自然、超越自然目標的實現邁進了一大步，為創建新功能的生物系統提供了新的科學基礎。

中科院副院長周琪表示，這項成果在國際上首次實現了從二氧化碳到澱粉的從頭全合成，使澱粉生產的傳統農業種植模式，向工業車間生產模式轉變成為可能，取得了原創性的突破。「成果尚處於實驗室階段，離實際應用還有相當長的距離，後續還需要盡快實現從『0到1』的概念突破到『1到10』和『10到100』的轉換，最終真正成為解決人類發展面臨重大問題和需求的有效手段和工具」，周琪說。

工業尾氣為原料生物反應裝置中合成澱粉

談及人工合成澱粉的示範與工業化問題，論文成果的通訊作者、天津工生所所長馬延和表示，希望在未來5-10年內，建立起工業示範，以工業尾氣為原料，利用光伏等可再生電源分解水提供氫氣，在化學反應器中進行二氧化碳高效還原，在生物反應裝置中合成澱粉。「如果人工合成澱粉示範，可以達到理論能力轉換效率的80%，從電到澱粉合成的能量轉化效率可達41.6%，那麼十度電大約可以合成一公斤澱粉」，馬延和表示，這項成果具有相當的應用潛力。

二氧化碳人工合成澱粉，是一項「無中生有」技術，專家預計，這有望將改變其獲取方式，有可能減少對生產資料的依賴，並在生態環境保護方面產生巨大影響。該成果論文第一作者、中科院天津工業生物所副研究員蔡韜在接受大文傳媒採訪時表示，在能量供給充足的條件下，按照現有技術參數推算，理論上1噸發酵罐的年產澱粉數量相當於5畝土地的玉米澱粉年平均產量。可以想像，未來人們將從空氣中攫取原材料，從工廠中獲得澱粉，對土地的依賴程度也將大幅度降低。

「我們所需的澱粉，可以利用二氧化碳作為原料，通過類似釀造啤酒一樣的過程，在生產車間中製造出來」，蔡韜表示，人工合成澱粉具有體積小，「能量」大，不受外部自然氣候環境影響，周年運轉，可以實現標準化、規模化、產業化，集約式發展。

合成生物技術方式應用廣泛

不僅如此，天津工業生物所科研團隊還通過採用合成生物技術方式，以微生物細胞作為細胞工廠，只需要酵母、細菌等做「底盤」，已實現人蔘皂苷、番茄紅素、燈盞花素、天麻素等眾多天然產物的人工生物合成，形成了新的製造模式。以天麻素為例，其生物合成成本是植物提取的1/200、化學合成的1/2-1/3，生產效率大幅提升。像紅景天苷，這種成分只有在生長于海拔4000米以上的紅景天中才能提取到，現已經實現車間發酵生產。合成生物技術的應用，將改變農業傳統產業模式，為社會經濟問題提供解決方案，創造價值鏈高端的新經濟增長點。

推進「雙碳」目標實現的技術路線提供新思路

2020年9月22日，中國政府在第七十五屆聯合國大會上提出：「中國將提高國家自主貢獻力度，採取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭於2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。」此次，中國科學家成功構建出非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-生物法聯合的人工合成澱粉途徑(ASAP)，將為推進碳達峰和碳中和目標實現的技術路線提供了一種新思路。

地球的大氣由氮氣（約78%）、氧氣（約21%）、氬氣（約0.9%）以及一些微量氣體如二氧化碳、甲烷等組成，氮氣和氧氣共佔大氣成份99%，但卻不是溫室氣體，而二氧化碳只佔約0.04%，卻是大氣是地球溫度的主控鈕。為此，中國提出了碳達峰和碳中和目標。

2021年3月5日政府工作報告指出，紮實做好碳達峰、碳中和各項工作，中國將在「十四五」時期實現國內二氧化碳排放分降低18%，這一綠色經濟發展的長遠目標。經過6年技術攻關，中國科學院天津工業生物技術研究所在「十四五」計劃開局之年，實現了ASAP。通過計算途徑設計、模塊化組裝和替代途徑建立，並通過三個瓶頸相關酶的蛋白質工程進行優化，以每分鐘每毫克總催化劑22毫摩爾二氧化碳的速度將二氧化碳轉化為澱粉，比玉米的澱粉合成高約8.5倍。ASAP的成功構建，為推進碳達峰和碳中和目標實現的技術路線提供了一種新思路，也將為未來從二氧化碳合成澱粉開闢嶄新道路，從而使未來澱粉的工業化生物製造成為可能。

「這項技術在碳中和方面的意義是非常重要的，如果能夠把空氣中的二氧化碳『抓』下來，用化學、生物合成的步驟，脫離生命體系，實現人工合成澱粉，那麼就形成了『固體陽光』」，中國科學院院士、中科院北京生命科學研究院院長康樂說，如果能夠不斷就此進行循環，產生的澱粉及分解物，可以成為所有食物化工材料、生物製藥、基礎物質材料，這項工作的意義非常大，「怎麼評價都不過分」。

國內外領域專家高度評價

歐陽平凱（南京工業大學原校長、中國工程院院士）：

採用了化學合成和生物合成交叉的方式，從二氧化碳到甲醇，然後甲醇進一步合成到澱粉，這個工作應該說是人類第一次實現了非光合作用的澱粉合成。這項技術不僅對國家、對世界解決二氧化碳生成澱粉這個人類基本的食品和原料的問題，也是對碳中和工作有很重要的意義。我相信這項工作的突破會給中國科技事業有一個很大的促進。

趙國屏（中國科學院分子植物科學卓越創新中心研究員、中國科學院院士）：

農作物通過光合作用，將水、二氧化碳等無機化合物合成可作為動物飼料和人類食物的糖類乃至澱粉等碳水化合物是地球上最重要的生物化學反應過程。自合成生物學誕生以來，人們就開始嘗試人工構建非自然途徑，實現二氧化碳到糖的直接轉化，以突破植物媒介光合作用的瓶頸。這項技術在實驗室中首次實現了從二氧化碳到澱粉分子的人工合成；進一步經過元件優化，又將這一轉化的效率提升到了具有實際應用潛力的高度。這一原創性成果，是擴展並提升人工光合作用能力前沿研究領域的重大突破，使澱粉生產的傳統農業種植模式向工業車間生產模式轉變成為可能。同時，也展現了合成生物學工程科學研究策略的巨大潛能，這是一項具有「頂天立地」重大意義的科研成果。

陳堅（江南大學原校長、中國工程院院士）：

全球的食品的生產大約佔據了全球40%的耕地，產生了25%的溫室氣體，澱粉是最主要的糧食成分之一，因此澱粉的可持續供應是人類未來面臨的重要挑戰。這個研究成果是通過化學與生物的方法相結合，主要採用蛋白質工程和合成生物學等一系列新技術，從二氧化碳直接合成澱粉，完全顛覆了傳統的澱粉生產方式。這個工作是典型的0到1的原創性成果，不僅對未來的農業生產，特別是糧食生產具有革命性的影響，而且對全球生物製造產業的發展具有里程碑式的意義。

延斯·尼爾森（Jens Nielsen瑞典查爾姆斯理工大學教授美國工程院院士、中國工程院外籍院士）：

以二氧化碳為原料人工合成澱粉是利用合成生物學解決當今社會面臨的若干重大挑戰的驚人案例。利用不同種類的酶組成的重組酶系統，將二氧化碳化學催化產生的甲醇成功轉化為澱粉，這是一個現代催化化學與合成生物學相結合的精彩案例，這次重大突破將會為日後更多相關研究鋪平道路，這些研究的整合和應用將有助於解決我們未來面臨的重大挑戰。

李相燁（韓國科學技術院化學與生物分子工程系資深教授韓國科學技術院副院長韓國國家科學與工程院院士、美國工程院外籍院士）：

通過整合化學催化與生物合成，實現將二氧化碳催化為甲醇，並通過多酶生物合成將甲醇轉化為澱粉。在優化了人工澱粉合成途徑後，實現了從二氧化碳到澱粉的轉化合成，澱粉產量為320毫克/升/小時，每毫克酶的澱粉合成速率為17納摩爾碳/分鐘，這達到了令人讚嘆的水平，並且非常有希望通過酶和生物工藝優化得到進一步提升。這是一項非常了不起的工作，彰顯了合成生物學在生物合成途徑及酶的設計方面的巨大力量，也顯示出將化學和生物相結合的方法對於生物基化學品和材料生產的重要性。

近藤昭彥（日本神戶大學副校長兼教授、日本理化研究所可持續資源科學中心副主任）：

這項研究成果非同凡響，不依賴光合作用從二氧化碳到澱粉的合成無疑是我們長期追求的夢想。我們可以利用合成的澱粉生產各種各樣的材料和食品，因此，這項研究成果將對下一代生物製造和農業發展產生巨大影響。

曼弗雷德·雷茲（Manfred T. Reetz德國馬普煤炭研究所名譽教授、德國科學院院士、歐洲科學院院士）：

眾所周知，將二氧化碳固定並轉化為有用的有機化學品是一項重大的國際挑戰，本項工作將該領域的研究向前推進了一大步，同時將天津工業生物技術研究所推向了國際頂尖水平，我對後續進一步的創新研究充滿希望並滿懷樂觀。