天津工业生物所自2015年起 ， 即聚焦人工合成淀粉与二氧化碳生物转化利用 ， 开展需求导向的科技攻关 。
构筑新的人工光合途径
“从能量角度看 ， 光合作用的本质是将太阳光能转化为储藏在淀粉中的化学能 。 ”马延和解释 。
可如何更高效的将光能转变为化学能？模拟和借鉴自然过程 ， 构筑新的人工光合途径 ， 科研人员想到了光能—电能—化学能的能量转变方式 ， 首先通过光伏发电将光能转变为电能 ， 通过光伏电水解产生氢气 ， 然后通过催化利用氢气将二氧化碳还原生成甲醇 ， 将电能转化为甲醇中储存的化学能 ， 该过程的能量转化效率超过10% ， 远超光合作用的能量利用效率 。
甲醇储存了来自太阳能的能量 ， 但是自然界中并不存在甲醇合成淀粉的生命过程 。 于是 ， 科研人员又利用合成生物学的思想 ， 从海量的生物化学反应数据中设计出了一条仅包含10步主反应的甲醇到淀粉的人工路线ASAP 。
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在中国科学院天津工业生物技术研究所实验室 ， 科研人员展示人工合成淀粉样品 。 新华社采访人员 金立旺摄
为将设计蓝图变为现实 ， 科研人员还挖掘与改造了来自动物、植物、微生物等31个不同物种的62个生物酶催化剂 ， 最终优中选优 ， 使用10个酶逐步将一碳的甲醇转化为三碳的二羟基丙酮 ， 进一步转化为六碳的磷酸葡萄糖 ， 最终合成了直链和支链淀粉 。
“这个合成过程涉及二氧化碳和氢气的使用 ，该研究成果为我们未来通过工业生物制造生产淀粉这种全球性重要物质提供了新的技术路线 。 ”《科学》杂志新闻部执行主任梅根·菲兰如是评价 。
实际应用还有相当长距离
“这是‘道法自然’ ， 实现人工光合作用合成淀粉的一种过程 。 ”马延和说 ， 从科学突破角度看 ， 这一人工途径的淀粉合成 ， 向设计自然、超越自然目标的实现迈进了一大步 ， 为创建新功能的生物系统提供了新的科学基础 。
从技术创新角度看 ， 通过发展高效的人工催化剂和生物酶 ， 研究团队从6568个生化反应中设计形成固碳与人工合成淀粉新途径 。 按照20%的光电转化效率计算 ， 这条化学、生物杂合的人工合成淀粉新系统 ， 理论能量转化效率可达7% ， 其淀粉合成速率比自然光合作用提高了3.5倍 。
具体来说 ，这意味着什么？论文第一作者、天津工业生物所副研究员蔡韬解释 ， 按照目前技术参数推算 ， 在能量供给充足的条件下 ，理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于5亩土地玉米种植的淀粉产量（按我国玉米淀粉平均亩产量计算） 。 “这一成果为从二氧化碳到淀粉生产的工业车间制造打开了一扇窗 。 ”
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