从水和二氧化碳人工光合成淀粉

　　粮食是国计民生的重要基础，粮食安全是我国社会可持续发展的重要保障。随着社会的发展和人们生活质量的提高，以淀粉为基本单元的糖类化合物、蛋白质、天然和非天然氨基酸以及有机酸分子作为最基础的食物和生产原料，由于气候环境的变化，农业耕地的问题等，其生产面临新的挑战。

　　多少年来，人类的食物都是大自然光合作用的馈赠。绿色植物利用太阳光进行光合作用，将水和二氧化碳转化成有机化合物，为地球上一切生物包括人类的生存和发展提供了物质和能量基础。光合作用是地球生物圈中能量循环不可缺少的环节，时时刻刻在调节着人类赖以生存的地球环境。

　　光合作用的本质是在温和的条件下将太阳能转化为化学能，并将能量储存在生物有机物分子中，是一个重要的能量转化和物质合成过程。这个过程让我们对大自然充满了好奇，也更加崇拜自然的力量。道法自然，人们通过研究自然光合作用过程获得灵感，尝试构筑人工光合作用系统，利用太阳光、水和二氧化碳合成人类可以直接利用的洁净可再生能源以及粮食。

　　在科学家眼里，人工光合作用的研究是一尊“化学圣杯”。

　　淀粉是食物的主要成分，以葡萄糖分子为基本单元。如何模拟和借鉴自然过程，构筑新的人工光合成途径，利用太阳光、水和二氧化碳合成葡萄糖分子，是科学家追求的目标。科学层面上，人工光合成淀粉过程涉及到（1）光能的转化，即通过半导体材料将太阳能捕获并转化为化学能或者电能；（2）水分子氧化放出氧气，即利用太阳能或者电能通过光（电）催化水分解产生氧气和氢气；（3）二氧化碳分子的逐步还原，即二氧化碳分子利用电极表面的电子或者氢气分子为还原力，被还原为液体燃料（甲酸，甲醇等）；（4）碳碳键的生成，即二氧化碳还原的一碳产物，比如甲醇通过酶催化氧化还原反应产生C3的有机小分子（5）生物大分子的形成，即C3的小分子进一步的偶联，转化结构和构型，生成C6葡萄糖分子，并聚合为淀粉。这些反应每一步都是一个挑战。

　　近日，中国科学院天津工业生物技术研究所和大连化学物理研究所李灿院士团队合作，在Science上发表了结合人工光合反应和生物酶催化反应构筑了从水和二氧化碳合成淀粉的新体系，得到了社会各界广泛的关注。正如自然光合作用的原理一样，这条人工淀粉合成途径（Artificial Starch Anabolic Pathway，ASAP）体系也可以分为光反应和暗反应，将能量的转化和物质的合成串联进行，包括11个核心反应。光反应利用取之不尽，用之不竭的太阳能发电在电解水制备绿氢，完成光能——电能——化学能的转化与存储。暗反应第一阶段，分解水产生的氢气作为还原力、将二氧化碳加氢转化为甲醇分子，把可再生能源存储在液体燃料中。然后暗反应后续阶段以甲醇为碳骨架和能源载体，进一步的通过酶催化的反应，合成生物大分子葡萄糖，最后进行聚合产生我们所需要的淀粉。这是“道法自然”，实现人工光合成淀粉的一种过程，通过发展高效的人工催化剂和生物酶，理性设计反应途径，这条化学生物杂合新途径的淀粉合成效率比自然光合作用提高了8倍以上，为实现“双碳”目标，以及解决粮食和饲料等问题提供了重要的科学和技术策略。