科学杂志二氧化碳合成淀粉

科学杂志二氧化碳合成淀粉

以二氧化碳为原料，不依赖植物光合作用，直接人工合成淀粉——看似科幻的一幕，真实地发生在实验室里。我国科学家首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成，相关成果北京时间24日由国际知名学术期刊《科学》在线发表。

从“0到1”的巨大突破

论文通讯作者、中科院天津工业生物所所长马延和介绍，此次研究中，科研人员用一种类似“搭积木”的方式，从头设计、构建了11步反应的非自然二氧化碳固定与人工合成淀粉新途径。核磁共振等检测发现，人工合成淀粉分子与天然淀粉分子的结构组成一致。

相比而言，自然界的淀粉合成依赖植物光合作用，涉及约60步代谢反应以及复杂的生理调控。

论文第一作者、天津工业生物所副研究员蔡韬介绍，实验室初步测试显示，人工合成淀粉的速率是自然淀粉合成速率的8.5倍。在充足能量供给的条件下，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亩玉米地的年产淀粉量。

这一突破得到该领域一批国际知名专家的高度评价。德国科学院院士曼弗雷德·雷兹表示，将二氧化碳固定并转化为有用的有机化学品是一项重大的国际挑战，本项工作将该领域研究向前推进了一大步。美国工程院院士延斯·尼尔森表示，这是利用合成生物学解决当今 社会 面临的若干重大挑战的惊人案例，将为日后更多相关研究铺平道路。

合成淀粉的巨大意义

淀粉由许多葡萄糖单元通过糖苷键连接而成，是粮食的主要成分，是人和畜禽重要的食物能量来源，也是广泛应用的工业原料（造纸、塑料等），目前主要由玉米、小麦、红薯等农作物通过光合作用固定二氧化碳产生。在植物体内，这个过程涉及大约60步生化反应、复杂的生理调节，理论上总体能量转换效率在2%左右。

人工合成淀粉是 科技 领域一个重大课题，吸引了多国科学家深入 探索 ，但一直未取得实质性重要突破。

合成生物学被认为是影响未来的颠覆性技术。模拟自然作物光合作用，重新设计生命合成代谢过程，设计人工生物系统，不依赖植物种植进行淀粉制造，潜藏着惊人的变革前景。

步骤简单 速度快，效率高

这次合成只需要了不多的步骤，而与之对比，自然界中生物从二氧化碳合成淀粉，需要大约60步生化反应，且需要复杂的生理调节。而这个人工合成，大概11个步骤。

并且这次实验室合成的速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。此外，根据报道，其效率也高，自然界合成淀粉的效率约为2% (玉米)，而工业合成效率可以达到10%以上。

合成淀粉应用前景

在科学家眼里，人工合成淀粉未来如果进入实际应用，不仅能节约耕地和淡水资源、进一步保障粮食安全，还将带来诸多想象空间。

人工合成淀粉对于解决农业问题有着巨大意义。民以食为天，一直以来，农业问题关乎了人类的生死存亡。而采用这种工业办法，可以解决农业所需的耕地、淡水资源，也能够避免农药和化肥等的使用，改善粮食安全。

我国的耕地面积为150多万平方千米，占国土面积的16%左右，也就是说，不到五分之一，剩下五分之四的国土面积都是不能作为耕地的，这也使得我国的粮食问题一直非常严峻。有了这种技术，高山峡谷、沙漠、冰原，这些地方都可以成为农业产地。

同时，这项技术可以直接固定二氧化碳，效率远高于植物，对于缓解全球变暖问题也有着巨大意义。

甚至在更为遥远的未来，这项技术很可能成为人类 探索 遥远宇宙时的食物来源。

中科院副院长周琪说，成果目前尚处于实验室阶段，离实际应用还有距离，后续需尽快实现从“0到1”概念突破到“1到10”的转换。

二氧化碳合成淀粉是氧化还原反应吗

是的。反应式:6CO2+12H2O→C6H12O6(可认为是淀粉)+6O2+6H2O
其中分为光反应阶段和暗反应阶段:
1.光反应阶段在叶绿体的类囊体的薄膜上:
包括水的光解即2H2O→O2+4[H]条件:光酶色素等
以及ADP+Pi→ATP条件:酶
2.暗反应阶段在叶绿体基质中:
包括CO2的固定即CO2+C5→2C3
C3的还原:2C3→C6H12O6(可认为是淀粉)条件:和ATP
其中C3和C5分别代表三碳化合物和五碳化合物结构复杂

合成淀粉的原料是什么

人工合成淀粉的原料是二氧化碳。
它是中国科学家历时6年多的科研攻关，继20世纪60年代在世界上首次完成人工合成结晶牛胰岛素之后，又在人工合成淀粉方面取得重大颠覆性、原创性突破——国际上首次在实验室实现二氧化碳到淀粉的从头合成。
中国从二氧化碳人工合成淀粉被国际学术界认为是影响世界的重大颠覆性技术，这一成果2021年9月24日在国际学术期刊《科学》发表。