【點讚中國】中國實現二氧化碳人工合成澱粉

成果於《科學》期刊發表 研究者指具工業化基礎

香港文匯報訊（記者 劉凝哲 北京報道）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。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。相關工作於9月24日發表於國際學術期刊《科學》。

研究人員表示，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。

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。

合成速率是玉米澱粉8.5倍

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。

轉為工業模式生產成可能

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。」周琪說。

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年至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。

大幅降低對土地依賴程度

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香港文匯報採訪時表示，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。

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。

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」，已實現人參皂苷、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。像紅景天苷，這種成分只有在生長於海拔4,000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。