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2021年9月24日 ， 中国科学院天津工业生物技术研究所（以下简称天津工业生物所）在国际学术期刊《科学》发表论文《 Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide》 ， 表示研究团队在人工合成淀粉方面取得重大突破性进展 ， 首次在实验室实现了二氧化碳到淀粉的合成 。 他们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 ， 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 。
人工合成淀粉的实验过程从 2015 年开始 ， 天津工业生物所科研团队启动了人工合成淀粉项目 。 他们的整体设计思路是将热电厂和水泥厂排放的高浓度二氧化碳分离出来作为原料 ， 将低密度太阳能转化为高密度电/氢能作为能源 ， 形成简单的碳氢化合物 ， 然后设计出从碳氢化合物到淀粉的生物合成过程 。
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受天然光合作用的启发 ， 天津工业生物所的科研人员在太阳能分解水制绿氢的技术上 ， 进一步开发高效的化学催化剂 ， 把二氧化碳还原成甲醇等更容易溶于水的一碳化合物 ， 完成了光能-电能-化学能的转化 。 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（2%） ， 也为后续进一步采用生物催化合成淀粉奠定了理论基础 。
科研人员用“搭积木”的思维 ， 解决一系列适配性问题 。 因为人工合成淀粉的最大挑战在于 ， 天然淀粉合成途径是通过植物数亿年的自然选择进化而成 ， 各个酶都能很好地适配协作 。 而人工设计的反应途径 ， 却未必能像植物那样完美实现 。 为了解决酶的适配问题 ， 基于每个模块终产物的碳原子数量 ， 科研人员采用模块化思路 ， 将整条途径拆分为4个模块 ， 分别命名为C1（一碳化合物）、C3（三碳化合物）、C6（六碳化合物）和Cn（多碳化合物）模块 。 每个模块的原料和产物都是确定的 ， 但是可有多种反应过程 。 科研人员要做的 ， 就是找到4个模块最佳的组合方式 。
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在解决了热力学不匹配、动力学陷阱等问题后 ， 科研人员对各模块进行不断测试、组装与调整 ， 最终成功实现了人工淀粉的实验室合成 。 该途径包含了来自动物、植物、微生物等31个不同物种的62个生物酶催化剂 。 在此基础上 ， 科研人员采用蛋白质工程改造手段 ， 对其中几个关键限速步骤进行改造 ， 解决了途径中的限速酶活性低、辅因子抑制、ATP竞争等难题 ， 进而让生物酶催化剂的用量减少了近1倍 ， 淀粉的产率提高了13倍 。 随后 ， 科研人员通过化学法 ， 使二氧化碳进一步还原生成甲醇的反应偶联（由两个有机化学单位进行某种化学反应而得到一个有机分子的过程） ， 再进一步通过反应分离优化 ， 解决了途径中的底物竞争、产物抑制、中间产物毒性等问题 ， 淀粉的产率又提高了10倍 ， 并可实现淀粉的可控合成 。 该人工系统将植物淀粉合成的羧化-还原-重排-聚合以及需要组织细胞间转运的复杂过程 ， 简化为还原-转化-聚合反应过程 。 公开资料表明 ， 该系统从太阳能到淀粉的能量效率是玉米的3.5倍 ， 淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍 。
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