将二氧化碳还原生成甲醇，再转化为淀粉
目前淀粉主要由农作物通过光合作用，将太阳光能、二氧化碳和水转化而成。
长期以来，科研人员一直在努力改进光合作用这一生命过程，希望提高二氧化碳和光能的利用效率，最终提升淀粉的生产效率。
那么，除了光合作用外，还有没有效率更高的二氧化碳生产淀粉的方式？
这次，天津工业生物所的科研人员就成功创制了一条利用二氧化碳和电解产生的氢气合成淀粉的人工路线。这条路线涉及11步核心生化反应，淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。相关研究成果9月24日在线发表于《科学》杂志。
从能量角度看，光合作用的本质是将太阳光能转化为淀粉中储存的化学能。因此，将光能高效地转变为化学能并储存下来成为关键。
科研人员挖掘和改造了来自动物、植物、微生物等31个不同物种的62个生物酶催化剂，最终优中选优，使用10个酶逐步将甲醇转化为淀粉。这种路径不仅能合成易消化的支链淀粉，还能合成消化慢、升糖慢的直链淀粉。
“也许在不久的将来，不需要种地，也能够满足我们对碳水化合物的需要。” 天津工业生物所副所长王钦宏说。>>详情
在人工合成途径构建上实现跨越式突破
不依赖植物光合作用、人工合成碳水化合物，一直是世界各国科学家的梦想。此前，华人科学家杨培东曾带领团队利用聚糖反应成功将二氧化碳转化为多种单糖混合物。
中国科学院天津工业生物技术研究所蔡韬副研究员在实验室展示人工合成淀粉样品 科技日报记者陆成宽摄
“但是，他们还尚未实现复杂碳水化合物的人工定向合成。”天津工业生物所副研究员蔡韬说：“也就是说，他们的路线方法合成的是多种简单糖类化合物的混合物，还很难定向到其中的一种。”
专家介绍，淀粉高效人工合成的挑战主要来自低密度太阳能到高密度电能和氢能，低浓度二氧化碳到高浓度二氧化碳，以及复杂合成途径到简单合成途径3个方面。此前，在众多科研人员的努力下，前两个问题已基本得到了解决。
“这次，我们主要在人工合成途径构建方面实现了跨越式突破。” 天津工业生物所所长马延和说。
他介绍，一是跨越了人工途径进化的鸿沟。克服了不同来源、不同遗传背景的生物酶之间热力学与动力学不匹配等瓶颈，二氧化碳到淀粉的碳转化速率和效率显著提升；二是跨越了从虚拟到现实的鸿沟。团队用计算机可以设计出很多条合成途径，通过各种模块的组装和适配，最终筛选出了符合条件的路径，实现了人工淀粉合成。
“经过分析鉴定，我们合成的淀粉样品无论成分还是理化性质，都和自然生产的淀粉一模一样。”蔡韬说。
据科研团队介绍，在充足能量供给的条件下，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淀粉量相当于我国5亩土地玉米种植的平均年产量。>>详情
弘扬科学家精神 六年协同攻关
马延和介绍说：“ 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。
科技日报记者陆成宽摄
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。>>详情
中外专家热评：助解人类未来面临重大挑战
“使淀粉生产的传统农业种植模式，向工业车间生产模式转变成为可能”“将为未来通过工业生物制造生产淀粉这种全球性重要物质提供新的技术路线”“是人类第一次实现了非光合作用的淀粉合成”“将对下一代生物制造和农业发展产生巨大影响”“将有助于解决我们未来面临的重大挑战”……
中国科学家在实验室国际上首次实现二氧化碳到淀粉的从头合成这一重大颠覆性、原创性突破成果论文引发中外同行专家聚焦与热议。
中国科学院院士、中科院副院长周琪表示，二氧化碳的转化利用与粮食淀粉工业合成，是应对全球挑战的重大科技问题之一。中科院天津工业生物技术研究所创新科研组织模式与合作研究团队进行联合攻关，按照工程化原理，利用生物计算技术，设计构建出非自然的二氧化碳固定还原与淀粉合成新路径，在实验室国际上首次实现从二氧化碳到淀粉的从头全合成，使淀粉生产的传统农业种植模式，向工业车间生产模式转变成为可能。
美国科学促进会/《科学》杂志新闻部执行主任梅根·菲兰认为，最新成果论文讨论了一种全新的人工合成淀粉(常见的植物碳水化合物)的方法。这个合成过程涉及二氧化碳和氢气的使用，该研究成果将为未来通过工业生物制造生产淀粉这种全球性重要物质提供新的技术路线。>>详情
