《科學》重磅：人工合成淀粉技術突破性進展！

更新時間：2021-09-27 10:48:51

近期，中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所在淀粉的人工合成方面取得重大突破性進展，國際上首次實現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的從頭合成，相關工作于2021年9月24日發(fā)表于國際頂尖雜志《科學》。

中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所馬延和研究員帶領團隊，采用一種類似“搭積木”的方式，從頭設計、構建了11步反應的非自然固碳與淀粉合成途徑，在實驗室中首次實現(xiàn)從二氧化碳到淀粉分子的全合成。核磁共振等檢測發(fā)現(xiàn)，人工合成淀粉分子與天然淀粉分子的結構組成一致。實驗室初步測試顯示，人工合成淀粉的效率約為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)淀粉的8.5倍。在充足能量供給的條件下，按照目前技術參數(shù)，理論上1立方米大小的生物反應器年產(chǎn)淀粉量相當于我國5畝玉米地的年產(chǎn)淀粉量。這條新路線使淀粉生產(chǎn)方式從傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)種植向工業(yè)制造轉變成為可能，為從CO2合成復雜分子開辟了新的技術路線。

該研究的特點就是：純工業(yè)/實驗室合成，研究路線圖如下：

三大核心突破

>> 亮點一：能量轉化效率提升3.5倍突破自然光合固碳系統(tǒng)利用太陽能的局限。

為了設計超越自然能力的固碳淀粉合成途徑，科研團隊創(chuàng)新地提出將化學與生物催化相耦合的方案，從約7000個生化反應中、構建形成只有11步主反應的固碳淀粉人工合成途徑，將理論能量轉化效率提升3.5倍，使高效固定二氧化碳高效合成淀粉成為可能。

>>亮點2：從60多步到11步突破自然界淀粉合成的復雜調控障礙。

在計算設計的人工途徑中，生物酶催化劑是成功構建這條途徑的核心關鍵?？蒲袌F隊從動物、植物、微生物等31個不同物種來源挖掘合適的生物酶催化劑，構建了一條只有11步反應的人工淀粉合成途徑，與自然界淀粉合成需要的60多個步驟相比，顯著降低了合成的復雜度。

>> 亮點3：突破天然淀粉合成時空效率不高的限制。

由于缺少自然途徑上億年的進化過程，人工途徑中來源于不同物種的生物酶催化劑間存在難以適配的問題。針對這個問題，研究團隊開發(fā)了模塊組裝優(yōu)化與時空分離反應策略，解決了人工途徑中底物競爭、產(chǎn)物抑制等問題，最終獲得了淀粉合成速率和效率顯著提升的人工途徑。