陈根：人工合成淀粉，效率提升8.5倍

文|陈根

从日常食物到工业原料，淀粉都占据了重要位置。目前，人们主要通过植物光合作用二氧化碳来生产商业数量的淀粉。但是，淀粉的合成与积累涉及约60个代谢反应及一系列复杂的调控，理论能量转化效率仅为2%左右。

此外，植物通过自然光合作用固定二氧化碳生产淀粉，需要较长的生产周期和较大种植面积，还需要使用土地、淡水、肥料、农药等农业生产资料。因此，科学家们一直在寻找一种更有效的淀粉生产方式，以减少对传统农业的依赖。

近日，我国科学家首次实现了人工合成淀粉。他们以二氧化碳、电解产生的氢气为原料，不依赖植物光合作用，成功生产出淀粉。这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。

研究团队采用了一种类似“搭积木”的方式，利用化学催化剂将高浓度二氧化碳在高密度氢能作用下还原成碳一（C1）化合物，然后通过设计构建碳一聚合新酶，依据化学聚糖反应原理将碳一化合物聚合成碳三（C3）化合物，最后通过生物途径优化，将碳三化合物又聚合成碳六（C6）化合物，再进一步合成直链和支链淀粉（Cn化合物）。

科学家们又从动物、植物、微生物等31个不同物种来源挖掘合适的生物酶催化剂，构建了一条只有11步主反应的人工合成淀粉途径，实现了从二氧化碳到淀粉的从头合成，将天然淀粉的羧化-还原-重排-聚合的复杂合成过程简化为人工淀粉的还原-聚合的合成过程，显著降低了合成的复杂度。

值得一提的是，人工淀粉合成速率是自然界玉米淀粉合成速率的8.5倍，按照目前的技术参数推算，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亩土地玉米种植的平均年产量。

未来，这一成果或引发粮食生产变革，并为二氧化碳原料合成复杂分子开辟新的技术路线。