二氧化碳人工合成淀粉入选“2021年度中国科学十大进展”|人工合成|氢气|淀粉|科学|食品科学

2月28日，科技部高技术研究发展中心（基础研究管理中心）发布2021年度中国科学十大进展。火星探测任务天问一号探测器成功着陆火星、从二氧化碳到淀粉的人工合成等10项重大科学进展，从30项候选进展中脱颖而出。在食品科学领域中，“从二氧化碳到淀粉的人工合成”一项入选，位列第三。

根据得票高低，2021年度中国科学十大进展分别为：

火星探测任务天问一号探测器成功着陆火星

中国空间站天和核心舱成功发射，神舟十二号、十三号载人飞船成功发射并与天和核心舱成功完成对接

从二氧化碳到淀粉的人工合成

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从二氧化碳到淀粉的人工合成

淀粉是粮食最主要的组分，也是重要的工业原料。中国科学院天津工业生物技术研究所马延和等报道了由11 步核心反应组成的人工淀粉合成途径（ASAP），该途径偶联化学催化与生物催化反应，在实验室实现了从二氧化碳和氢气到淀粉分子的人工全合成。

通过从头设计二氧化碳到淀粉合成的非自然途径，采用模块化反应适配与蛋白质工程手段，解决了计算机途径热力学匹配、代谢流平衡以及副产物抑制等问题，克服了人工途径组装与级联反应进化等难题。在氢气驱动下ASAP将二氧化碳转化为淀粉分子的速度为每分钟每毫克催化剂22 nmol碳单元，比玉米淀粉合成速度高8.5 倍；ASAP淀粉合成的理论能量转化效率为7%，是玉米等农作物的3.5 倍，并可实现直链和支链淀粉的可控合成。该成果不依赖植物光合作用，实现了二氧化碳到淀粉的人工全合成。

人工淀粉合成途径

这是在国际上首次实现二氧化碳到淀粉的从头合成。相关成果于2021年9月24日在线发表在国际学术期刊《科学》上。

2021年9月23日，中科院就此召开新闻发布会，对成果及其进展进行解读。会上，中科院副院长、党组成员周琪表示，当今世界面临全球气候变化、粮食安全、能源资源短缺、生态环境污染等一系列重大挑战，科技创新已成为重塑全球格局、创造人类美好未来的关键因素。二氧化碳的转化利用与粮食淀粉工业合成，正是应对挑战的重大科技问题之一。该成果目前尚处于实验室阶段，离实际应用还有相当长的距离，后续还需要尽快实现从“0到1”的概念突破到“1到10”和“10到100”的转换，最终真正成为解决人类发展面临重大问题和需求的有效手段和工具。中科院将集成相关科技力量，一如既往地支持该项研究深入推进。

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目前，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，合成与积累涉及约60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。农作物种植通常需较长周期，并使用大量土地、淡水等资源和肥料、农药等农业生产资料。

相关成果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，并为二氧化碳原料合成复杂分子提供了新技术路线。如果未来该系统过程成本能够降低至与农业种植相比具有经济可行性，将可能节约90%以上的耕地和淡水资源，同时减少农药、化肥等对环境的负面影响，提高人类粮食安全水平，促进碳中和的生物经济发展，推动形成可持续的生物基社会。

成果得到国内外相关领域专家的高度评价，认为是“典型的0到1原创性突破”，是“扩展并提升人工光合作用能力前沿研究领域的重大突破，是一项具有‘顶天立地’重大意义的科研成果”，其“不仅对未来的农业生产、特别是粮食生产具有革命性的影响，而且对全球生物制造产业的发展具有里程碑式的意义”，“将在下一代生物制造和农业生产中带来变革性影响”。

项目资助

该研究工作获得了中国科学院重点部署项目、天津市合成生物技术创新能力提升行动等项目前瞻性的资助和支持，是国家合成生物技术创新中心的重点研究方向。

论文链接：

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

更多关于该项目的介绍请点击《食品科学》之前发布的相关报道：

专家介绍

通讯作者：马延和，男，汉族，1961年10月生，河北盐山人，农工党成员，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。

1983年8月南开大学生物系微生物学专业大学毕业后，到中国科学院微生物研究所从事科研工作，历任微生物研究所生物技术中心副主任、所长助理、极端环境微生物中心主任、微生物资源前期开发国家重点实验室副主任。2007年3月起，先后任中国科学院天津工业生物技术研究与发展中心筹建工作组组长、中国科学院天津工业生物技术研究所筹建工作组副组长、工业酶国家工程实验室主任。2012年10月起，先后任中国科学院天津工业生物技术研究所所长，天津市滨海新区政协副主席(兼)，农工党滨海新区区委会主委，农工党天津市委会副主委，农工党中央常委。2021年1月当选农工党天津市委会主委、天津市第十七届人大常委会副主任。

第一作者：蔡韬，副研究员。2009年在南京农业大学获得博士学位，后赴美国宾夕法尼亚大学医学院学习，2012年到中国科学院天津工业生物技术研究所工作。

研究方向：LysR家族转录调控蛋白调控机理的研究及应用。

英文摘要

Cell-free chemoenzymatic starch synthesis fromcarbon dioxide

TAO CAI , HONGBING SUN, JING QIAO , LEILEI ZHU, FAN ZHANG, JIE ZHANG, ZIJING TANG, XINLEI WEI , JIANGANG YANG, QIANQIAN YUAN, WANGYIN WANG,XUE YANG, HUANYU CHU, QIAN WANG, CHUN YOU, HONGWU MA, YUANXIA SUN, YIN LI, CAN LI, HUIFENG JIANG, QINHONG WANG, AND YANHE MA

*Corresponding author. Email: ma_yh@tib.cas.cn

Abstract：

Starches, a storage form of carbohydrates, are a major source of calories in the human diet and a primary feedstock for bioindustry. We report a chemical-biochemical hybrid pathway for starch synthesis from carbon dioxide (CO2) and hydrogen in a cell-free system. The artificial starch anabolic pathway (ASAP), consisting of 11 core reactions, was drafted by computational pathway design, established through modular assembly and substitution, and optimized by protein engineering of three bottleneck-associated enzymes. In a chemoenzymatic system with spatial and temporal segregation, ASAP, driven by hydrogen, converts CO2 to starch at a rate of 22 nanomoles of CO2 per minute per milligram of total catalyst, an ~8.5-fold higher rate than starch synthesis in maize. This approach opens the way toward future chemo-biohybrid starch synthesis from CO2.

信息来源于科技部高技术研究发展中心，部分文字内容来源于天津工业生物研究所。图片及英文摘要来源于Science官网。作者简介来源于天津人大官网、天津工业生物研究所。点击文末阅读原文即可查看中国科学十大进展全部简介。

为进一步促进动物源食品科学的发展，带动产业的技术创新，更好的保障人类身体健康和提高生活品质，北京食品科学研究院和中国食品杂志社在宁波和西宁成功召开前两届“动物源食品科学与人类健康国际研讨会”的基础上，将与郑州轻工业大学、河南农业大学、河南工业大学、河南科技学院、许昌学院于2022年5月7-8日在河南郑州共同举办“2022年动物源食品科学与人类健康国际研讨会”。欢迎相关专家、学者、企业家参加此次国际研讨会。