中国科学家报道了由二氧化碳合成的淀粉

诸平

Starch synthesis via artificial starch anabolic pathway (ASAP) from carbon dioxide. Credit: TIBCAS

据物理学家组织网（phys.org）2021年9月23日报道中国科学院（Chinese Academy of Sciences）提供的消息，中国科学家报道了由二氧化碳合成的淀粉（Chinese scientists report starch synthesis from carbon dioxide）。中国科学家最近首次报道了从二氧化碳(CO₂)中从头合成淀粉的方法。相关研究结果于2021年9月24日已经在《科学》（Science）杂志网站发表——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, Yanhe Ma. Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide. Science, 24 Sep 2021, 373(6562): 1523-1527. DOI: 10.1126/science.abh4049. http://dx.doi.org/10.1126/science.abh4049

这一新途径使淀粉生产方式由传统的农业种植向工业生产转变成为可能，并开辟了一条利用CO2合成复杂分子的新技术路线。

淀粉是粮食的主要成分，也是重要的工业原料。目前，它主要是由玉米等农作物通过光合作用固定二氧化碳产生的。这一过程涉及大约60个生化反应和复杂的生理调节，理论能量转换效率仅为2%左右。为克服粮食危机和气候变化等人类面临的重大挑战，迫切需要制定可持续供应淀粉和使用二氧化碳的战略。设计除植物光合作用外的新途径将二氧化碳转化为淀粉是一项重要而创新的科技任务（S&T mission），并将成为当今世界重大的颠覆性技术。

为了解决这个问题，中国科学院天津工业生物技术研究所(Tianjin Institute of Industrial Biotechnology简称TIB)的科学家们设计了一个化学酶系统和人工淀粉合成路线，其中只有11个核心反应将二氧化碳转化为淀粉。

这条路线是通过“构建块（building block）”策略建立的，研究人员将化学和生物催化模块集成在一起，以生物技术创新的方式利用高密度能源和高浓度二氧化碳。

研究人员通过解决基底竞争（substrate competition）、产品抑制（product inhibition）和热力学适应（thermodynamical adaptation）等问题，利用空间和时间分离系统系统地优化了这个混合系统。

这种人工方法可以从二氧化碳中生产淀粉，其效率是玉米淀粉生物合成的8.5倍，这意味着朝着超越自然的方向迈出了一大步。它为创造具有前所未有功能的生物系统提供了新的科学依据。

该研究的主要作者蔡涛（Tao Cai音译）表示:“根据目前的技术参数，在理论上，1 m³生物反应器的淀粉年产量相当于种植1/3公顷玉米的淀粉年产量，而不考虑能量输入。”

这项工作将为从二氧化碳中提取淀粉的工业生产打开一扇窗户。

该研究的通讯作者马延河（Yanhe Ma音译）表示:“如果未来这一过程的总成本能够在经济上降低到与农业种植相当的水平，预计将节省90%以上的耕地和淡水资源。”

此外，它还将有助于避免使用农药和化肥对环境的负面影响，改善人类粮食安全，促进碳中和的生物经济（carbon-neutral bioeconomy），并最终促进可持续的生物基础社会（bio-based society）的形成。

自2015年以来，TIB一直专注于人工淀粉生物合成和CO₂利用。为开展需求导向的科技创新研究，集聚各类创新资源，加强“学科、任务、平台”的整合，实现科研工作的高效协同。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。也可以参看：美中科学家用二氧化碳反应器制造“火星燃料”。 

From carbon dioxide to starch: no plants required

Many plants turn glucose from photosynthesis into polymers that form insoluble starch granules ideal for long-term energy storage in roots and seeds. Cai et al. developed a hybrid system in which carbon dioxide is reduced to methanol by an inorganic catalyst and then converted by enzymes first to three and six carbon sugar units and then to polymeric starch. This artificial starch anabolic pathway relies on engineered recombinant enzymes from many different source organisms and can be tuned to produce amylose or amylopectin at excellent rates and efficiencies relative to other synthetic carbon fixation systems—and, depending on the metric used, even to field crops. —MAF

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.