人工合成淀粉

2021年宣布中国首次人工合成淀粉

人工合成淀粉，是中国科学家历时6年多科研攻关，继上世纪60年代在世界上首次完成人工合成结晶牛胰岛素之后，又在人工合成淀粉方面取得重大颠覆性、原创性突破——国际上首次在实验室实现二氧化碳到淀粉的从头合成。

科技背景

淀粉是粮食最主要的成分，同时也是重要的工业原料。淀粉主要由玉米等农作物通过自然光合作用固定二氧化碳生产，淀粉合成与积累涉及60余步代谢反应以及复杂的生理调控，理论能量转化效率仅为2%左右。农作物的种植通常需要较长周期，需要使用大量土地、淡水等资源以及肥料、农药等农业生产资料。粮食危机、气候变化是人类面临的重大挑战，粮食淀粉可持续供给、二氧化碳转化利用是当今世界科技创新的战略方向。

中国创新

在玉米等农作物中，自然光合作用的淀粉合成与积累涉及60多步生化反应以及复杂的生理调控，理论能量转化效率为2%左右。通过多年研究攻关，中科院天津工业生物所科研团队联合大连化物所，采用一种类似“搭积木”的方式，通过耦合化学催化和生物催化模块体系，实现了“光能—电能—化学能”的能量转变方式，成功构建出一条从二氧化碳到淀粉合成只有11步反应的人工途径。

2021年9月24日，中国科学院天津工业生物技术研究所在国际学术期刊《科学》中发表实现了二氧化碳到淀粉的从头合成。

技术突破

从二氧化碳人工合成淀粉这一颠覆性技术是如何实现的，核心突破究竟在哪儿。

能量转化效率提升3.5倍突破自然光合固碳系统利用太阳能的局限

为了设计超越自然能力的固碳淀粉合成途径，科研团队创新地提出将化学与生物催化相耦合的方案，从约7000个生化反应中、构建形成只有11步主反应的固碳淀粉人工合成途径，将理论能量转化效率提升3.5倍，使高效固定二氧化碳高效合成淀粉成为可能。

从60多步到11步突破自然界淀粉合成的复杂调控障碍

在计算设计的人工途径中，生物酶催化剂是成功构建这条途径的核心关键。科研团队从动物、植物、微生物等31个不同物种来源挖掘合适的生物酶催化剂，构建了一条只有11步反应的人工淀粉合成途径，与自然界淀粉合成需要的60多个步骤相比，显著降低了合成的复杂度。

突破天然淀粉合成时空效率不高的限制

由于缺少自然途径上亿年的进化过程，人工途径中来源于不同物种的生物酶催化剂间存在难以适配的问题。针对这个问题，研究团队开发了模块组装优化与时空分离反应策略，解决了人工途径中底物竞争、产物抑制等问题，最终获得了淀粉合成速率和效率显著提升的人工途径。

社会意义

中国人工合成淀粉是这个领域的一个重大突破，从国际上来说也是第一次（在实验室）从二氧化碳合成了淀粉的整个的过程，这个过程对生物合成生物制造的领域是一个重大的里程碑式的突破，下一步对农业生产、对工业的生物制造实际上提供了一个新的途径，具有非常重大的推进意义。

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，最新研究成果实现于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。

2021年，中国科学家生成了一种新酶，从头设计了11步反应的非自然二氧化碳固定与人工合成淀粉新途径。这个只需要水、二氧化碳和电的“创造”，不依赖光合作用，被誉为“将是影响世界的重大颠覆性技术”。这为农业生产方式的改变提供了可能路径，更为创建新功能的生物系统奠定了开创性科学基础。

获得荣誉

2021年12月，入选2021年度国内十大科技新闻。

2022年2月，人工合成淀粉被纳入2021年度中国科学十大进展。

发行纪念邮票

国家邮政局办公室关于《科技创新（四）》纪念邮票表现内容等事宜的通知：2023年纪特邮票发行计划中《科技创新（四）》纪念邮票1套5枚的表现内容，其中一枚为人工合成淀粉。邮票发行日期为2023年11月1日。

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