全国科普日 | 从0到1！中国科学家改变历史
淀粉
是“粥饭”中最主要的碳水化合物
是面粉、大米、玉米等粮食的主要成分
也是重要的工业原料
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淀粉主要由绿色植物通过光合作用固定二氧化碳进行合成。
在玉米等农作物中，将二氧化碳转变为淀粉涉及60余步的代谢反应和复杂的生理调控，太阳能的理论利用效率不超过2%。农作物的种植通常需要数月的周期，使用大量的土地、淡水、肥料等资源。
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？
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今天我们来研究一下：
能不能人工合成淀粉？
为什么要攻克人工合成淀粉这个难关？
人工合成淀粉有何重大意义？
人工合成淀粉
以二氧化碳为原料，不依赖植物光合作用，直接人工合成淀粉——看似科幻的一幕，真实地发生在实验室里。
9月23日，中国科学院召开本年度首场新闻发布会，介绍该院天津工业生物技术研究所在人工合成淀粉方面取得的重要进展。
该所研究人员提出了一种颠覆性的淀粉制备方法，不依赖植物光合作用，以二氧化碳、电解产生的氢气为原料，成功生产出淀粉，在国际上首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成，使淀粉生产从传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能，取得原创性突破。相关研究成果9月24日在线发表于《科学》杂志。
9月23日拍摄的新闻发布会现场，新华社 金立旺 摄
中国科学院天津工业生物技术研究所研究员马延和带领团队，采用一种类似“搭积木”的方式，从头设计、构建了11步反应的非自然固碳与淀粉合成途径，在实验室中首次实现从二氧化碳到淀粉分子的全合成。核磁共振等检测发现，人工合成淀粉分子与天然淀粉分子的结构组成一致。
实验室初步测试显示，人工合成淀粉的效率约为传统农业生产淀粉的8.5倍。在充足能量供给的条件下，按照目前技术参数，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亩玉米地的年产淀粉量。
马延和介绍，此次研究设计、组装出一种自然界不存在的合成代谢途径，并使其工作效率大幅高于自然生物过程，跨越了自然途径数亿年的进化。这一突破，为淀粉的车间生产打开一扇窗口，并为二氧化碳原料合成复杂分子开辟了新的技术路线。
利用人工途径从二氧化碳合成淀粉，图源：天津工业生物研究所网站
中国科学院副院长、党组成员，中国科学院院士周琪在发布会上强调，这项成果尚处于实验室阶段，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。
为何要进行人工合成淀粉
前文我们提到过，自然光合作用合成淀粉的过程已经非常复杂了，人工合成淀粉难只会更难。那么，科研人员为何要突破这一难关呢？
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中国科学院天津工业生物技术研究所研究员马延和表示：
一方面，摆脱植物进行二氧化碳固定是科学家多年来的梦想，二氧化碳人工生物转化方面是国际上研究的热点和难点，只要取得一定的突破，都是重磅的成果。
过去几年，仅在《细胞》《自然》《科学》上发表的相关论文就不下十篇，主要集中在二氧化碳固定、人工光合作用等研究方向。2018年,美国国家航空航天局（NASA）更是提出了二氧化碳制造葡萄糖的百年挑战计划，但是目前淀粉的从头人工合成还没有实现突破。
我们在国际上首次报道了二氧化碳到淀粉的全合成，这种人工合成淀粉的方式展现了超越自然淀粉合成方式的极大潜力，相信会有更多的科学家投身到这一极具挑战性且具有重大战略意义的领域。
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另一方面，粮食安全是国家安全的重要基础，我国一直积极推进农业生物技术进步，从遗传杂交育种到分子设计育种，我们一直在追赶着国际科技前沿。
有没有可能“换道超车”？其实这个想法由来已久，即使是替代一部分粮食淀粉作为工业原料、甚至饲料，也是对缓解农业压力的巨大贡献。
合成生物学被认为是影响未来的颠覆性技术。模拟自然作物光合作用，重新设计生命合成代谢过程，设计人工生物系统不依赖植物种植进行淀粉制造，潜藏着惊人的变革前景。“从二氧化碳到淀粉的人工合成”的工业路径是事关长远和全局的科技战略制高点，是国之重器。
新华社 金立旺 摄
重要意义
此次研究设计、组装出一种自然界不存在的淀粉合成代谢途径，并使其工作效率大幅高于自然生物过程，解决了生物功能从虚拟到现实、人工途径生物进化、生化反应能量传递等科学难题，体现了学习自然、模仿自然、超越自然的理念，具有重要的科学意义和应用价值。
合成生物技术耦合化学催化技术，建立了高能量密度、高二氧化碳浓度生物转化的新技术路线，虽然从实验室到工业化应用还面临众多的科技挑战，但孕育了巨大的产业变革新机。对于把二氧化碳资源化转变为食品、材料、化学品等绿色低碳产业发展将产生重大影响，建立了一个创新赛道的新起点。
未来二氧化碳到淀粉的人工合成技术如果具有经济性可行性，工业车间制造淀粉将会实现，与农业种植相比，可以节省超过90%的土地和淡水资源，并且消除化肥和农药对环境的负面影响，必将带来一场新的产业变革，对于保障粮食安全、促进社会经济可持续、高质量发展具有重大战略性意义。