想象一下，未来在火星上的"淀粉工厂"里，宇航员们用当地的二氧化碳制造食物。这样的场景，或许不再是科幻电影的专利。
通过科研人员的不懈努力，中国科学家已突破二氧化碳人工合成淀粉技术。这项研究不仅可能解决地球上的粮食问题，甚至为未来的太空探索提供了新的可能。
二氧化碳 “变身” 淀粉2015年，天津工业生物技术研究所所长马延和灵光一闪，二氧化碳可以变成淀粉吗？这个大胆的想法在2021年实现了。
我国科研团队经过多年不懈的研究攻关，在淀粉人工合成领域取得了重大突破性进展，成功实现了从二氧化碳到淀粉的全合成，登上了国际学术期刊《科学》杂志。这在国际上尚属首次 ，无疑是对我国科研实力的一次有力证明。
植物光合作用能量效率低、生长周期长，可能引发粮食安全问题。在玉米等农作物中，自然光合作用下淀粉的合成与积累是一个极为复杂的过程，涉及六十多部生化反应以及复杂的生理调控理论，而且能量转化效率仅为 2% 左右。
中科院天津工业生物所科研团队联合大连化物所另辟蹊径，采用类似搭积木的方式，通过耦合化学催化和生物催化模块体系，成功构建出一条从二氧化碳到淀粉合成仅需 11 步反应的人工途径。
这一创新不仅改变了能量转变方式，实现了光能、电能、化学能的转换，更让实验室中短短几个小时就能完成农作物需要几个月才能完成的淀粉合成过程成为现实。
三大亮点解锁人工合成淀粉（一）能量转化效率飙升 3.5 倍
科研团队突破了自然光和固态系统利用太阳能的局限，创新性地提出化学与生物催化相耦合的方案。
从约 7000 个生化反应中精心筛选构建出只有 11 步主反应的固碳淀粉人工合成途径，成功将理论能量转化效率提升 3.5 倍，让高效固定二氧化碳和高效合成淀粉不再是遥不可及的梦想。
（二）合成步骤锐减
在自然界中，淀粉合成需要六十多个步骤，而科研团队从 31 个不同物种来源挖掘合适的生物酶催化剂，构建出仅有 11 步反应的人工淀粉合成途径。从六十多步到 11 步，这一巨大的跨越显著降低了合成的复杂度，突破了自然界淀粉合成的复杂调控障碍。
人工淀粉合成代谢途径的设计和模块化组装
（三）打破时空效率瓶颈
针对人工途径中生物酶催化剂难以适配的问题，研究团队开发了模块组装优化与时空分离反应策略，有效解决了底物竞争、产物抑制等难题，最终实现了淀粉合成速率和效率的显著提升，突破了天然淀粉合成时空效率不高的限制。
前景广阔根据参数计算，一立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于我国五亩土地玉米种植的平均年产量。
这一数据无疑让我们看到了人工合成淀粉的巨大潜力。那么人工合成的淀粉和自然界的淀粉有区别吗？
从外观上看，人工合成淀粉跟从玉米、薯类等农作物中提纯出来的淀粉看起来是一样的。实验室里通过人工合成产生的淀粉处于溶解状态，是比较稀的淀粉糊糊，干燥后会变成粉状。
经科研团队用科学上的金标准 —— 核磁检测比对，人工合成的直链和支链淀粉与自然界中的结果一模一样，也就是说，二者并无区别。
虽然目前人工合成淀粉仅在实验室生产出少量样品，但一旦实现工业化，其对粮食安全、二氧化碳利用以及双碳目标都将起到重大的支撑作用。
它不仅为农业生产和工业生物制造提供了全新的途径，更是生物合成生物制造领域的一个重大里程碑。
2024 年 8 月有消息称，中国科学院天津工业生物技术研究所二氧化碳人工合成淀粉的吨级中试装置已经建成，正在进行测试。
近几年团队完成了人工合成淀粉技术的迭代升级，不断提高淀粉合成产量，把淀粉的生产强度较1.0版本提高了136倍，人工淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍，并可根据需要实现不同类型淀粉的定向可控合成。"我们的目标是年产10亿吨人工淀粉。"
人工合成淀粉工程化模型。
这项研究以社会重大需求和人类面临的重大问题为出发点，多学科的交叉融合也将是未来科技创新的重要模式。以合成生物学理念重新设计生物体及其功能，突破自然生物的局限性，缩短生产周期、降低成本，这些都需要科研人员进一步探索。
这条从实验室到餐桌的未来之旅，相信在科研人员的努力下，人工合成淀粉的工业化终将从梦想照进现实。也许在不久的将来，我们真的能够实现粮食自由，彻底告别"靠天吃饭"的历史。
文字来源二次元的中科院物理所的视频内容
