二氧化碳人工合成淀粉技术
2020年联合国五大机构发布《世界粮食安全和营养状况》，该报告指出，2019年，全世界有近7.5亿人面临重度粮食不安全，占世界总人口近十分之一。为了满足人们对粮食的巨大需求，科学家们把目光投向了提供全球80%以上热量摄入的淀粉。淀粉是粮食最主要的成分，同时也是重要的工业原料。
实验室合成淀粉的完整步骤
二氧化碳人工合成淀粉的实验细节
目前，淀粉主要由玉米等农作物通过自然光合作用固定二氧化碳生产，涉及约60步代谢反应以及复杂的生理调控，理论能量转化效率仅为2%左右。中国科学院天津工业生物技术研究所构建了一条只有11步主反应的人工合成淀粉新途径，在实验室中首次实现了从二氧化碳到淀粉分子的全合成。
马延和研究团队采用了一种类似“搭积木”的方式，联合中国科学院大连化学物理研究所，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化合物，再将碳一化合物聚合成碳三化合物，最后通过生物途径优化，将碳三化合物又聚合成碳六化合物，再进一步合成直链和支链淀粉。这种途径由11种核心反应组成，在一个具有时空隔离的化学酶系统中，在氢气的驱动下，以每毫克催化剂每分钟消耗22纳摩尔的二氧化碳来合成淀粉。
这一人工途径将约60步的代谢反应缩短为11步，淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍，提高二氧化碳的转化速率和光能的利用效率，最终提升淀粉的生产效率，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。这一“从0到1”的重大原创性突破成果于2021年9月24日发表于国际权威学术期刊《科学》。
这一过程主要实现了以下三大突破。
从重新设计自然代谢途径开始，首先解决了途径计算设计中普遍存在的不适配难题，团队用计算机可以设计出很多条合成途径，通过各种模块的组装和适配，最终筛选出了符合条件的路径，跨越了从虚拟到现实的鸿沟，将自然淀粉复杂的合成过程简约至只有11步主要反应。
其次，突破了不同来源、不同遗传背景的生物酶之间热力学与动力学难以匹配的瓶颈，跨越了自然缓慢进化的鸿沟，超越了生物代谢途径亿万年的进化效果，淀粉合成速率大大提高。
最后，从二氧化碳到淀粉的人工合成，克服了化学和生物协同催化的障碍，实现利用高密度的电氢能合成淀粉分子，跨越了生化反应能量传递的鸿沟，理论能量转化效率是玉米的3.5倍。
得益于以上研究上的突破，二氧化碳到淀粉的碳转化速率和效率显著提升。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亩玉米的年产淀粉量（按我国玉米淀粉平均亩产量计算）。
这一成果使淀粉生产的传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能，并为二氧化碳原料合成复杂分子开辟了新的技术路线。如果未来该系统过程成本能够进一步降低，与农业种植相比具有经济可行性，将有可能节约90%以上的耕地和淡水资源，避免农药、化肥等对环境的负面影响，提高人类粮食安全水平，促进碳中和的生物经济发展，推动形成可持续的生物基社会。《科学》评审专家评价：“该项工作是一项里程碑式突破，将在下一代生物制造和农业生产中带来变革性影响。”