二氧化碳能合成淀粉吗？对这个貌似天方夜谭的问题，中国科学家给出了肯定和详细的答案。
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——我国科学家在实验室里首次实现二氧化碳到淀粉的从头合成，成果北京时间24日由国际学术期刊《科学》发表。
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）。图片来源：新华社记者 金立旺 摄
淀粉是粮食最主要的成分，通常由农作物通过自然光合作用固定二氧化碳生产。自然界的淀粉合成与积累，涉及60余步生化反应以及复杂的生理调控。中国科学院天津工业生物技术研究所研究员马延和带领团队，采用一种类似“搭积木”的方式，从头设计、构建了11步反应的非自然固碳与淀粉合成途径，在实验室中首次实现从二氧化碳到淀粉分子的全合成。
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。不过，这一成果目前尚处于实验室阶段，离实际应用还有距离。
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实现二氧化碳到淀粉从头合成
据中国科学报，9月24日，《科学》刊发中国科学院天津工业生物技术研究所在淀粉人工合成方面取得的重大突破性进展。该研究在国际上首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成。
淀粉是粮食最主要的成分，也是重要的工业原料。中国科学院副院长、中国科学院院士周琪表示，当今世界正面临全球气候变化、粮食安全、能源资源短缺、生态环境污染等一系列重大挑战，科技创新已成为重塑世界格局、创造人类美好未来的关键因素。
二氧化碳转化利用与粮食淀粉工业合成，正是应对挑战的重大科技问题之一。
论文通讯作者，天津工业生物所所长、研究员马延和介绍，天津工业生物所从头设计了11步主反应的非自然二氧化碳固定与淀粉合成新途径，在实验室中首次实现了从二氧化碳到淀粉分子的全合成。
研究团队采用了一种类似“搭积木”的方式，联合大连化学物理研究所，利用化学催化剂将高浓度二氧化碳在高密度氢能作用下还原成碳一化合物，然后通过设计构建碳一聚合新酶，依据化学聚糖反应原理将碳一化合物聚合成碳三化合物，最后通过生物途径优化，将碳三化合物又聚合成碳六化合物，再进一步合成直链和支链淀粉。
科研团队乔婧科研助理、蔡韬副研究员、马延和研究员、朱蕾蕾研究员、孙红兵科研助理（从左至右）在中国科学院天津工业生物技术研究所实验室合影（9月16日摄）。图片来源：新华社记者 金立旺 摄
这一人工途径的淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍，向实现设计自然、超越自然的目标迈进了一大步，为创建新功能的生物系统提供了新的科学基础。
业内专家称，如果未来二氧化碳人工合成淀粉的系统过程成本能够降低到与农业种植相比具有经济可行性，将会节约90%以上的耕地和淡水资源，避免农药、化肥等对环境的负面影响，推动形成可持续的生物基社会，提高人类粮食安全水平。同时，最新研究成果实现在无细胞系统中用二氧化碳和电解产生的氢气合成淀粉的化学-生物法联合的人工淀粉合成途径(ASAP)，为推进“碳达峰”和“碳中和”目标实现的技术路线提供一种新思路。
“如果人工合成淀粉示范可以达到理论能量转换效率的80%，那么10度电大约可以合成1公斤淀粉。”论文通信作者、天津工生所所长马延和表示。
按照目前的技术参数推算，理论上1立方米大小的生物反应器年产量，相当于我国5亩土地玉米种植的淀粉年平均产量。
根据农业农村部市场预警专家委员会的预测，2021-2022年度，中国玉米种植面积约6.40亿亩（中国耕地总面积18.5亿亩，小编注），较上年度增加2109万亩，增长3.4%；预计玉米总产量2.72亿吨，比上年度增长4.3%。
国内外领域专家评价认为，该成果是“典型的0到1原创性突破”，“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”；“将给下一代生物制造和农业生产带来变革性影响”。
人工合成淀粉是什么味道？
“如果把人工合成淀粉做成面条、粉丝，大概会像意大利面那样劲道。”马延和表示，自然淀粉是直链淀粉和支链淀粉混在一起，目前实验室里合成的主要是直链淀粉，合成的支链淀粉没有自然淀粉中的支链淀粉那么复杂。
“在外观上，人工合成淀粉跟从玉米、薯类等农作物中提纯出来的淀粉看起来是一样的。”蔡韬说，实验室里通过人工合成产生的淀粉处于溶解状态，“是比较稀的淀粉糊糊，干燥后会变成粉状”。
9月23日，中国科学院天津工业生物技术研究所马延和研究员在发布会上向媒体介绍研究成果。图片来源：新华社记者 金立旺 摄
科研人员对淀粉的基本判断方法是在溶液中加碘液，直链淀粉遇碘呈蓝色，支链淀粉遇碘呈紫红色。此外，他们还专门对合成物进行了理化分析。“通过核磁共振等检测，它和自然生产的淀粉一模一样。”蔡韬说。
中科院副院长周琪说，成果目前尚处于实验室阶段，离实际应用还有距离，后续需尽快实现从“0到1”概念突破到“1到10”的转换。
据了解，经科技部批准，天津工业生物所正在牵头建设国家合成生物技术创新中心。科研团队的下一步目标，一方面是继续攻克淀粉合成人工生物系统的设计、调控等底层科学难题，另一方面要推动成果走向产业应用，未来让人工合成淀粉的经济可行性接近农业种植。
编辑|卢祥勇 杜恒峰
校对|孙志成
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（责任编辑:王治强）