淀粉是“粥饭”中最主要的碳水化合物，是面粉、大米、玉米等粮食的主要成分，也是重要的工业原料。目前主要由玉米等作物通过光合作用固定二氧化碳产生。这个过程涉及大约60个生化反应以及复杂的生理调控。该工艺的理论能量转换效率仅为2%左右。
目前，迫切需要可持续供应淀粉和利用二氧化碳的战略来克服人类面临的重大挑战，例如粮食危机和气候变化。设计不依赖于植物光合作用的新途径将二氧化碳转化为淀粉是一项重要的创新科技任务，将成为当今世界的一项重大颠覆性技术。此前，多国科学家积极探索，但一直未取得实质性重要突破。
中国科学院天津工业生物技术研究所马延和研究员带领团队，采用一种类似“搭积木”的方式，从头设计、构建了11步反应的非自然固碳与淀粉合成途径，在实验室中首次实现从二氧化碳到淀粉分子的全合成。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。实验室初步测试显示，人工合成淀粉的效率约为传统农业生产淀粉的8.5倍。
在充足能量供给的条件下，按照目前技术参数，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。这条新路线使淀粉生产方式从传统的农业种植向工业制造转变成为可能，为从CO2合成复杂分子开辟了新的技术路线。相关研究成果以题为“Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide”发表于最新一期《Science》上，并被新华社、科技日报争相报道。
【CO₂人工合成淀粉技术方案设计】
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）。
研究团队利用甲醛酶（fls）从候选C1中间体设计和构建淀粉合成途径的酶促部分，使用组合算法从甲酸或甲醇中起草了两条简明的淀粉合成途径。原则上，淀粉可以通过CO2与甲酸或甲醇作为C1桥接中间体的九个核心反应来合成。具体来说，C1模块模块（用于甲醛生产）、C3模块（用于3-磷酸d-甘油醛生产）、C6模块（用于d-葡萄糖6-磷酸生产）和Cn模块（用于淀粉合成）。但通过检索和模拟，作者发现节能但在热力学上不利的C1模块产生的甲醛可能无法为C3a模块中fls的关键反应提供材料。
因此，他们构建了具有热力学上更有利的反应级联反应的替代C1模块。在热力学上最有利的C1e模块成功地与C3a模块组装在一起，并从甲醇中获得了显着更高的C3化合物产率。在计算途径设计的帮助下，通过组装和替换由来自31个生物体的62种酶构成的11个模块，研究团队建立了人工淀粉合成代谢途径（ASAP）1.0，其中有10个以甲醇为起始的酶促反应。ASAP1.0的主要中间体和目标产物通过同位素13C标记实验检测到，验证了其从甲醇合成淀粉的全部功能。
【解决瓶颈问题，ASAP 1.0进阶ASAP 2.0】
在建立ASAP 1.0之后，研究团队试图通过解决潜在的瓶颈来优化这条途径。首先，由于其低动力学活性，酶fls在ASAP 1.0中占总蛋白质剂量的约86%，以维持代谢通量并将有毒甲醛保持在非常低的水平。定向进化增加了fls催化活性，产生了变体fls-M3，其活性提高了4.7倍。变体fbp-AR在AMP变构位点包含两个突变，可减轻ADP抑制并显着改善DHA的G-6-P产生。
三种核苷酸对fbp和fbp-AR的抑制模式分析表明ATP或ADP是系统抑制的决定因素。通过将fbp-AR与报道的对G-6-P具有抗性的变体整合，组合变体fbp-AGR实现了进一步的改进。考虑到dak和ADP-葡萄糖焦磷酸化酶(agp)之间的ATP竞争，因为底物DHA及其激酶dak的增加导致前4小时内淀粉产量异常降低。
作者证实DHA和dak的共存通过Cnb严重抑制了淀粉合成并输出DHA磷酸盐（DHAP）作为淀粉的主要产物，这证实了dak竞争性地消耗了大部分ATP。作者没有减少dak的用量，而是尝试增强agp的能力。根据报道的氨基酸置换，并且这些变体显示出与dak的增强竞争。最好的变体agp-M3成功地将DHA的淀粉合成增加了大约六倍。
通过使用这三种工程酶（fls-M3、fbp-AGR和agp-M3），研究团队构建了ASAP 2.0，它在10小时内从20 mM甲醇中产生了约230 mgl-1直链淀粉。与ASAP 1.0相比，ASAP 2.0的淀粉生产率提高了7.6倍。
【改善酶促过程，ASAP 2.0 进一步进阶】
在ASAP 2.0中取得上述成功后，研究团队通过先前开发的无机催化剂ZnO-ZrO2将酶促过程与CO2还原相结合，进而从CO2和氢气合成淀粉。由于CO2加氢的不利条件，研究团队在ASAP 3.0中开发了具有化学反应单元和酶促反应单元的化学酶促级联系统。为了满足fls对高浓度甲醛的需求并避免其对其他酶的毒性，他们进一步用两个步骤操作酶促单元。
为了从CO2合成支链淀粉，研究团队在ASAP 3.1中引入了来自创伤弧菌的淀粉分支酶(sbe)。该设置在4小时内产生了约1.3 gL-1支链淀粉。合成支链淀粉在碘处理后呈红棕色，吸收最大值与标准支链淀粉相当。合成的直链淀粉和支链淀粉都表现出与其标准对应物相同的1到6个质子核磁共振信号。
【CO₂人工合成淀粉技术总结】
本文通讯作者马延和研究员表示，该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，如果未来该系统过程成本能够降低到与农业种植相比具有经济可行性，将会节约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》杂志新闻部执行主任梅根·菲兰认为，该CO₂人工合成淀粉技术研究成果将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新的技术路线；中科院院士赵国屏表示，这是一项具有“顶天立地”重大意义的科研成果；德国科学院院士、欧洲科学院院士曼弗雷德·雷兹称，本项工作将该领域的研究向前推进了一大步。
【CO₂人工合成淀粉技术作者介绍】
马延和，男，汉族，1961年10月生，河北盐山人，农工党成员，1983年8月参加工作，在职研究生学历，工学博士，研究员。现任天津市第十七届人大常委会副主任，农工党中央常委、天津市委会主委、滨海新区区委会主委，中国科学院天津工业生物技术研究所所长。
【CO₂人工合成淀粉技术的重大意义】
CO₂人工合成淀粉技术这一原创颠覆性成果，在未来有望解决中国粮食自由问题。
首先这一成果简单总结下就是：历经6年，中国科学家终于在实验室“改写”了自然进化里的光合作用过程，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流程，简化为“还原-转化-聚合反应”过程，实现了直链淀粉和支链淀粉的可控合成。
根据目前技术参数推测，在能量供给充足的条件下，理论上1吨发酵罐年产淀粉，可相当于5亩土地的玉米淀粉的年平均产量，为淀粉生产的车间制造替代农业种植提供了一种可能。
中国工程院院士原江南大学校长陈坚认为：“这个工作是典型的0到1的原创性成果，该成果不仅对未来的农业生产，特别是粮食生产具有革命性的影响，而且对全球生物制造产业的发展具有里程碑式的意义。“
2019年中国粮食总产量为6.64亿吨，其中三大主粮产量大米、小麦、玉米分别为2.1亿吨，1.34亿吨、2.6亿吨。中国主粮自给率超过98%。仅仅靠中国自己的土地，中国人均粮食占有量超过了470公斤，高于国际人均粮食安全的标准线400公斤。
在最恶劣的条件下，有可能发生中国无法进口粮食的情况，但中国国内的粮食生产还是能得到保证的。因此，即便中国一点粮食都不进口，中国也不会出现粮食不够吃，饿死人的现象。
那么接下来让我们看看，做为一个粮食生产大国，中国都进口了多少粮食，为什么要进口这些粮食呢？
中国是个粮食进口大国，主要的进口品种包括大豆、高粱等，每年平均下来大概有1.2亿吨。进口大豆在榨油之后，剩下的豆粨可以喂猪，用于养殖业。高粱则主要用于酿酒业。这1.2亿吨粮食如果不进口的话，总共需要大约6亿亩农田。
此外，中国每年还要进口大量的棉花、白糖、水果、肉类、奶粉等，这些如果折合成农田的话，至少再需要1亿亩。
当前中国的农田总计为20亿亩出头，占国土面积超过14%，每年播种面积在18亿亩左右。再增加至少7亿亩农田的话，即增加35%，实在是困难太大。
综上，中国目前的土地资源，只能支持中国人民吃饱；如果要吃好的话，中国的土地资源已经无法满足。中国进口的粮食，解决的是吃好的问题，主要为中国人民提供了肉蛋奶等蛋白质，以及满足酿酒、穿衣方面的需求。
在当今中国20亿亩的种植面积中，有40%与畜牧业有关。比如中国每年大约生产2.6亿吨玉米，其中1.8亿吨用于饲料。而从全球角度来讲，70%的农业用地和畜牧业有关，包括饲养动物的场地以及种植动物饲料所占的面积。
有人做过计算，平均要13磅谷物才能生产1磅肉（一磅大约相当于9两，或0.45公斤）。也就是说，粮食与肉类存在13：1的关系，或者说谷物与肉类产出之间有一个数量级的差异。
讲到这里大家就应该明白了，中国的土地产粮食足够喂饱大家，产肉就不够。也就是说，现在的中国能够保证粮食安全，但是实现不了粮食自由！
而此次科学家的重大成果，其根本是提高了效率，节约大量土地，解决我国耕地不足的问题。一旦CO₂人工合成淀粉技术实现应用，中国离粮食自由的日子不远啊！
感谢科学家的付出，科技改变我们的生活！
对于此项CO₂人工合成淀粉技术的重大突破，网友纷纷表示高度赞赏：
这个真的牛，要是真的可以推广的话为全球气候变暖可是有很大抑制作用的，冰川不会快速融化，北极熊有了家园。
先是恭喜马主委了！我比较关心的是能耗问题，另外是不是能在实际生产中应用，拭目以待！再次恭喜农工党人！
这要是能工业化，好像解决碳排放就So easy了
恭喜核聚变可控技术配套技术研发成功！
人工合成植物肉，已经成为可能！人工合成淀粉，也会是一种新方式！
无所谓能不能直接吃。能转化成麦芽糖就行。反正淀粉到人身体里也要先分解。
这个什么时候能大面积应用？这不就是《星球大战》8还是9女主吃的那种东西吗，想起天涯莲蓬鬼话以前有个帖子提到过这玩意儿，那个楼主的梦里战争时期的口粮就是这个从它什么时候能普及可以大概逆推出什么时候打仗了！
这真是黑科技呀，以后耕地可以就用来种水果蔬菜牧草！
这比合成氨牛多了！彻底实现粮食工业化生产，彻底终结农业靠天吃饭状态。
用电的话，那不就是核聚变配套工程？一步完成碳中和！
合成牛胰岛素我没赶上，但这一次，我很荣幸见证了历史！应该发一吨诺奖！
对人类是一个大大的贡献，对，对粮食短缺的非洲国家，真是一个大大的福音，人造粮食！
这种模块化的结题思路，对于处在大数据时代的科研者，应当是很好的借鉴案例！
二氧化碳→淀粉(工业方法)颠覆传统农业模式。这不仅有助于解决全球变暖问题，还提供了粮食保障，太厉害了！
玉米淀粉自己吃或者做饲料给猪吃，然后吃猪肉，殖民外星球哈哈哈！
当年中国第一个合成胰岛素，现在又合成淀粉，伟大中国！理论创新与实际应用相结合，科研不仅写在大地上，还写在太空中！
碳中和，碳捕捉和粮食耕地问题都解决了！跟可控核聚变配合起来更配噢！
再努力努力，就快摸到诺贝尔奖了，如果用这个技术，生产出好几吨淀粉，弄出一条生产线，估计就可以拿诺贝尔奖了！
这个可以得诺贝尔奖了吧！感觉这种发明对人类的命运都有重大影响！遥远的未来，人类在星际中旅行，不需要种植，只需要二氧化碳或者其他分子，就可以制造满足生存需要的食物！而能量在太空中是无穷无尽的！
颠覆性创新啊，随时固定二氧化碳，随时产生食物？
这个合成淀粉到底能不能吃，能跟植物生长的淀粉一样吗？人吃了会不会有什么副作用。这种淀粉可以先当工业原料使用，可以节省粮食。
将来如果可控核聚变成功，用不完的电能再加上这个，人类将真正实现星辰大海，走出太阳系，银河系不是问题。
在后厢装上这一设备连接排气管，让汽车边跑边生产面包！
一个曾经生产玉米淀粉的人，看到这个消息太振奋人心了。感谢马延和博士给我们的喜讯。如果未来达到工业化，定是诺奖级别的成果！
这可就真的碳中和了。大大节约时间、耕地、淡水。可这种“加速”产淀粉也得付出相应的代价吧。逆墒反应的能量驱动估计不小。把全过程能量消耗核算一下，没有太离谱就可以研究普及了！
上火星不用担心没粮食了，火星二氧化碳多！
需要消耗多少电能？如果是农作物效率的8倍，和光伏联系起来，光伏40%的发电效率，那一亩光伏发电加这个技术，顶得上3亩农田了。
这个可是真牛！如果工业化装置成功运行，其意义与合成氨不分伯仲！最近我正在搞我们公司的碳达峰碳中和，大胆想象一下，这个装置多运行几套，我国直接就实现碳中和了，二氧化碳有可能还不够用哦！
终于实现了喝西北风的愿望！