领先全球！中国首发颠覆性成果：用CO2人工合成淀粉

顶刊动态

每天8篇顶刊！

641篇原创内容

公众号

大家都知道，淀粉是高分子碳水化合物，是由葡萄糖分子聚合而成的多糖。我们生活中已经离不开淀粉，它是食品制作中常用的原料，也是重要的工业原料。它的来源主要是来自于农业，许多植物将葡萄糖从光合作用转化为聚合物，形成不溶性淀粉颗粒，是根和种子中长期储存能量的理想选择。

然而你听说过利用CO₂为原料，用人工合成淀粉吗？

中国科学院天津工业生物技术研究所所长马延和团队在Science上发表了颠覆性成果，在全球范围内首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成，是基础研究领域的重大突破。

作者报告了在无细胞系统中从二氧化碳和氢气合成淀粉的化学-生化混合途径。人工淀粉合成代谢途径（ASAP）由11种核心反应组成，通过计算路径设计起草，通过模块化组装和取代建立，并通过三种瓶颈相关酶的蛋白质工程进行优化。其中二氧化碳通过无机催化剂还原为甲醇，然后由酶首先转化为三和六个碳糖单位，然后转化为聚合物淀粉。在一个具有时空隔离的化学酶系统中，在氢气的驱动下，ASAP以每毫克催化剂每分钟消耗22 nmol的CO₂来合成淀粉，比玉米中的淀粉合成速度高出约8.5倍。

这种人造淀粉合成代谢途径依赖于来自许多不同来源生物的工程重组酶，可以调谐以与其他合成碳固定系统相比的优异速度和效率生产淀粉或淀粉酶，甚至取决于使用的指标，甚至可以用于田间作物，这种方法为未来从二氧化碳合成淀粉开辟了道路。

图文详情

图1. 工淀粉合成途径的设计和模块组装

图2. 解决人工淀粉合成代谢途径（ASAP）主要瓶颈

图3. 利用CO₂经ASAP合成淀粉

以下是科技日报记者独家对所长马延和与论文第一作者副研究员蔡韬的专访

科技日报记者：自然光合作用合成淀粉的过程非常复杂，人工合成淀粉难度更高。当初，为什么会选择“从二氧化碳到淀粉的人工合成”这个项目进行科技攻关？

马延和：粮食安全是国家安全的重要基础，我国一直积极推进农业生物技术进步，从遗传杂交育种到分子设计育种，我们一直在追赶着国际科技前沿。

有没有可能“换道超车”？其实这个想法由来已久，即使是替代一部分粮食淀粉作为工业原料、甚至饲料，也是对缓解农业压力的巨大贡献。

合成生物学被认为是影响未来的颠覆性技术。模拟自然作物光合作用，重新设计生命合成代谢过程，设计人工生物系统不依赖植物种植进行淀粉制造，潜藏着惊人的变革前景。的确，这条路线存在很多的不确定性，科学问题复杂、技术路线不清、瓶颈问题难测；但是，科学研究就需要大胆的实践、勇闯无人区。

我们科技工作者要有强烈的国家使命感，面向国家重大战略需求，在科技工作中作出重大创新贡献是我们的责任担当。“从二氧化碳到淀粉的人工合成”的工业路径是事关长远和全局的科技战略制高点，是国之重器。

科技日报记者：人工从二氧化碳合成淀粉这项研究是各国科学家都在开展吗？能否介绍一下这个领域的竞争态势？

蔡韬：摆脱植物进行二氧化碳固定是科学家多年来的梦想，二氧化碳人工生物转化方面是国际上研究的热点和难点，只要取得一定的突破，都是重磅的成果。

过去几年，仅在《细胞》《自然》《科学》上发表的相关论文就不下十篇，主要集中在二氧化碳固定、人工光合作用等研究方向。2018年，美国国家航空航天局（NASA）更是提出了二氧化碳制造葡萄糖的百年挑战计划，但是目前淀粉的从头人工合成还没有实现突破。我们在国际上首次报道了二氧化碳到淀粉的全合成，这种人工合成淀粉的方式展现了超越自然淀粉合成方式的极大潜力，相信会有更多的科学家投身到这一极具挑战性且具有重大战略意义的领域。

曾怀疑过设计路线 但从未想过放弃

科技日报记者：第一次成功合成淀粉是什么时候？首次看到“淀粉蓝”，您有什么感受？后续又做了哪些工作？

蔡韬：第一次成功合成淀粉是在2018年7月24日。记得当时是在参加项目的进展研讨会，看到“淀粉蓝”的照片的时候，心情非常激动！当时就马上和工作人员确定了合成的具体条件，排除假阳性出现的可能性，然后就是安排不同的人员重复合成淀粉的工作。

在确定实现碳一化合物到淀粉的人工合成后，其实也可以投稿发文章了，但是我们还是更加看重实用性，就着手提高人工淀粉的合成效率，在后续的两年多的时间里将合成效率提高100多倍。人工合成淀粉尽管现在离实际应用还有很大差距，但展现了未来产业化应用的潜力。

科技日报记者：在“从二氧化碳到淀粉的人工合成”项目研究过程中，您取得了哪些重大突破？

蔡韬：植物合成淀粉的机制非常复杂，但从化学本质上来看，还是还原、缩合、重排、聚合的过程。

我们从重新设计自然代谢途径开始，首先解决了途径计算设计中普遍存在的不适配难题，跨越了从虚拟到现实的鸿沟，将自然淀粉复杂的合成过程简约至只有11步主要反应；

其次，突破了不同来源、不同遗传背景的生物酶之间难以匹配的瓶颈，跨越了自然缓慢进化的鸿沟，超越了生物代谢途径亿万年的进化效果，淀粉合成速率是玉米的8.5倍；

最后，“从二氧化碳到淀粉的人工合成”克服了化学和生物协同催化的障碍，实现利用高密度的电氢能合成淀粉分子，跨越了生化反应能量传递的鸿沟，理论能量转化效率是玉米的3.5倍。

科技日报记者：在项目研究过程中，请问您遇到的最大难题是什么？当时有没有想过放弃？

蔡韬：在研究过程中，我们遇到的最大的难题就是如何让不同来源的酶元件按照设计的路径在一起有效工作，我们为此测试了不同来源的酶元件，设计、改造了多个酶基因，做了上百种不同的组合测试。

特别是在构建淀粉人工合成途径1.0时，我们用了近三年的时间才实现碳一化合物到淀粉的人工合成，在这之前，从来没有研究证明设计人工途径合成淀粉是可行的，在成功之前，我们最常问自己的问题就是这条路真的可行吗？

当1.0版本构建成功后，我们非常有信心人工合成淀粉是可行的。然而，在项目进行了两年半的时候，我们曾经怀疑过这条设计的路线，但从来没有想过放弃人工合成淀粉的工作。

弘扬科学家精神 创新科研管理模式

科技日报记者：在项目实施过程中，为了使科研人员甘坐冷板凳、潜心科技攻关，请问研究所在科技管理模式上进行了哪些创新？

马延和：淀粉的车间制造是我们提出以生物技术推动“农业工业化”的一个标志。6年前项目开始设计时，谁也没有把握，我们也做好了长期奋斗的准备，中国科学院、天津市的项目支持给了我们预研的机会，可是在人才竞争、大家要“成长”的环境下，组织团队潜心研究、不问前程确实很难。

研究所积极探索科研管理模式创新，成立了项目制的总体研究部，项目组实行预算制，资源由研究所保障，不必申请竞争性经费，拥有科技问题分解与组织的权力，自主协同各个学科研究组的力量。对项目组的考核，简单、客观、宽松，不计较论文产出，不计较一时胜败，团队成员的绩效薪酬一般高于同等科技人员。

特别是，我们一直在弘扬科学家精神，培养家国情怀，所领导带头做淡泊名利、无私奉献的表率，将“官兵一致同甘苦、革命理想高于天”的长征精神明确为研究所的文化，逐渐凝聚了一批有家国情怀、勇于创新、甘于坐冷板凳的优秀青年科学家宁心静气、以十年磨一剑的精神潜心攻关。

科技日报记者：这项研究工作被认为是基础研究领域“从0到1”的原创性突破，请问在您看来，这项研究将产生怎样的影响？有什么意义？

马延和：这项研究不是自由探索的基础研究，而是需求导向、问题导向、目标导向的基础研究，开展多学科交叉研究，是生命科学研究的新范式。此次研究设计、组装出一种自然界不存在的淀粉合成代谢途径，并使其工作效率大幅高于自然生物过程，解决了生物功能从虚拟到现实、人工途径生物进化、生化反应能量传递等科学难题，体现了学习自然、模仿自然、超越自然的理念，具有重要的科学意义和应用价值。

合成生物技术耦合化学催化技术，建立了高能量密度、高二氧化碳浓度生物转化的新技术路线，虽然从实验室到工业化应用还面临众多的科技挑战，但孕育了巨大的产业变革新机。对于把二氧化碳资源化转变为食品、材料、化学品等绿色低碳产业发展将产生重大影响，建立了一个创新赛道的新起点。未来二氧化碳到淀粉的人工合成技术如果具有经济可行性，工业车间制造淀粉将会实现，与农业种植相比，可以节省超过90%的土地和淡水资源，并且消除化肥和农药对环境的负面影响，必将带来一场新的产业变革，对于保障粮食安全、促进社会经济可持续、高质量发展具有重大战略性意义。

通讯作者简介

马延和，1983年8月参加工作，在职研究生学历，工学博士，研究员。现任天津市第十七届人大常委会副主任，农工党中央常委、天津市委会主委、滨海新区区委会主委，中国科学院天津工业生物技术研究所所长。

研究方向：极端微生物的认识与利用，主要包括极端环境的微生物区系生态与生物多样性、极端微生物生理机制与功能多样性、极端微生物特殊功能与产物的开发和利用。目前的重点是发展采样、分离、培养、分子操作等新的方法技术，进行极端环境的物种与基因分析；分析极端微生物嗜极特性及其分子基础，开展极端微生物的分子生理学研究；开发极端酶等新产物，探讨其在寡糖生产、生物催化等方面的应用途径。

文献信息

Cell-free chemoenzymatic starch synthesis fromcarbon dioxide. Cai et al., Science 373, 1523–1527 (2021)

https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/science.abh4049