近日，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所（以下簡稱“天津工業(yè)生物所”）在淀粉人工光合成方面取得重大突破性進展，國際上首次在實驗室實現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的從頭合成。相關(guān)研究成果9月24日發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。
該研究由天津工業(yè)生物所與大連化物所李燦院士團隊等聯(lián)合攻關(guān)完成，創(chuàng)制了一條利用二氧化碳、水和陽光合成淀粉的人工路線——ASAP路線，在實驗室首次實現(xiàn)了從二氧化碳到淀粉的從頭全合成。專家認為，不依賴植物光合作用，設(shè)計人工生物系統(tǒng)固定二氧化碳，合成淀粉，有望成為影響世界的重大顛覆性技術(shù)之一。
糧食是國計民生的重要基礎(chǔ)，糧食安全是我國可持續(xù)發(fā)展的重要保障。隨著社會發(fā)展和人們生活質(zhì)量的提高，以糖類化合物為單元的淀粉、蛋白質(zhì)、天然和非天然氨基酸以及有機酸分子是最基礎(chǔ)的食物和生產(chǎn)原料。但由于環(huán)境污染、氣候變化，糧食生產(chǎn)面臨挑戰(zhàn)。不依賴植物光合作用，設(shè)計人工生物系統(tǒng)固定二氧化碳合成淀粉，將是影響世界的重大顛覆性技術(shù)。淀粉是食物的主要成分，以葡萄糖分子為基本單元。如何模擬和借鑒自然過程，構(gòu)筑新的人工光合成途徑，利用太陽光、水和二氧化碳合成葡萄糖分子進而合成淀粉，是科學(xué)家追求的目標。
科學(xué)層面上，這項突破性進展的人工合成淀粉路線——ASAP路線，可以分為兩大階段：光能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化和淀粉的合成。其中，光能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化由李燦團隊完成，他們利用取之不盡、用之不竭的太陽能分解水制備綠氫，并通過二氧化碳加氫還原合成甲醇等含能分子（也稱液態(tài)陽光），完成光能—化學(xué)能的轉(zhuǎn)化與存儲。甲醇分子把可再生能源存儲在液體燃料中，作為后續(xù)淀粉合成的碳骨架和能源載體。
天津工業(yè)生物所從頭設(shè)計了11步的非自然二氧化碳固定與淀粉合成反應(yīng)，在實驗室中首次實現(xiàn)了從二氧化碳到淀粉分子的全合成。這一過程中，大連化物所利用人工光電催化將高濃度二氧化碳在高密度太陽能綠氫作用下還原成甲醇化合物，然后，天津工業(yè)生物所通過設(shè)計構(gòu)建碳一聚合新酶，依據(jù)化學(xué)聚糖反應(yīng)原理將碳一化合物聚合成碳三化合物，最后通過生物途徑優(yōu)化，將碳三化合物又聚合成碳六化合物，再進一步合成支鏈和直鏈淀粉。該過程“道法自然”，實現(xiàn)人工光合成淀粉，通過發(fā)展高效的人工催化劑和生物酶，科學(xué)設(shè)計反應(yīng)途徑，這條化學(xué)生物雜合新途徑的淀粉合成效率比自然光合作用提高8倍以上，為解決糧食和飼料等問題提供了重要的理論支撐和技術(shù)儲備。
該成果是化學(xué)催化和生物催化交叉耦合的一個典范，得到國內(nèi)外領(lǐng)域?qū)＜业母叨仍u價，認為該工作是“典型的0到1原創(chuàng)性突破”，是“擴展并提升人工光合作用能力前沿研究領(lǐng)域的重大突破，是一項具有‘頂天立地’重大意義的科研成果”，“不僅對未來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、特別是糧食生產(chǎn)具有革命性的影響，而且對全球生物制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有里程碑式的意義”，“將在下一代生物制造和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中帶來變革性影響”。
