编者按： 

习近平总书记指出：“实现碳达峰、碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革。”要实现“双碳”宏伟目标，必须坚持“科学技术是第一生产力”，积极推动产业发展。我们将收集多方信息，撰写“技术进步与绿色产业发展”系列文章，介绍一些产业发展的前沿和技术进步为此发挥的重要作用，以供参考。本文是此系列的第3篇。

实现碳达峰、碳中和目标是艰巨的事业，如果仅依托既有的技术进步，仍会面临诸多不足，因此期待科学研究取得新的重大突破，开辟出更多的技术实现路径。近期，传来了一个令人振奋的消息，中国科学院天津工业生物研究所联合大连化学物理研究所，经过6年多研发，在世界上首次实现了从二氧化碳到淀粉的人工合成。2021年9月，此项研究成果发表于国际顶级学术期刊《科学》上。今年2月，这一对于维护国家粮食安全和应对气候变化尤其是实现碳中和有着重大意义的原创性科研突破，被评为2021年度中国科学十大进展之一。

一、淀粉的用途与自然来源

淀粉是人们在日常饮食中经常摄入的一种物质，作为粮食的最主要成分，既能为人体提供能量，又能为人体提供营养，是人类生存所必须，不可或缺。

淀粉还是重要的工业原料，被广泛应用于造纸业、纺织业、食品加工业、糖果工业和胶粘剂生产。较少为人所知的是，淀粉作为一种天然高分子,由于其价格低廉、可再生、生物降解性好等优点,被广泛地用于与低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等塑料混合,制备可降解材料，缓解塑料不可降解所带来的"白色污染"。随着石油资源的日益枯竭和环境问题的加重,近年来,淀粉作为补强剂在橡胶中的应用也越来越受到人们的关注

在自然过程中，淀粉基于植物的生长而形成。植物叶片经过光合作用产生碳水化合物，经筛管等结构输送到种子等部位，再经过一系列复杂酶促等生化反应后合成大分子淀粉。在人类文明的发展中，人们对一些高产的野生植物进行了驯化，培育出水稻、小麦、玉米、土豆、红薯等高产农作物，通过农业种植不断复制这一自然过程，从而大量而稳定地生产出各种富含淀粉的粮食。

二、人工合成淀粉的基本原理

农业种植极为辛苦，还面临洪涝灾害等风险。因此，利用二氧化碳人工合成淀粉一直是人们的追求，这在科研中上属于合成生物学领域。简单来说，是先利用光伏，把太阳能转化成电能，然后用电能分解水，制成氢气和氧气。接着把二氧化碳和氢气放在一起，通过催化剂制造出甲醇。最后把甲醇和一系列的酶进行反应，最终合成淀粉。

中国科学院天津工业生物技术研究所马延和所长等介绍了由11步核心反应组成的人工淀粉合成途径（ASAP）。该途径采用类似“搭积木”的方式，通过耦合化学催化和生物催化模块体系，实现了“光能—电能—化学能”的能量转变方式，在实验室实现了从二氧化碳和氢气到淀粉分子的人工全合成。通过从头设计二氧化碳到淀粉合成的非自然途径，采用模块化反应适配与蛋白质工程手段，解决了计算机途径热力学匹配、代谢流平衡以及副产物抑制等问题，克服了人工途径组装与级联反应进化等难题。在氢气驱动下，ASAP将二氧化碳转化为淀粉分子的速度为每分钟每毫克催化剂22nmol碳单元，比玉米淀粉合成速度高8.5倍；ASAP淀粉合成的理论能量转化效率为7%，是玉米等农作物的3.5倍，并可实现直链和支链淀粉的可控合成。该成果不依赖植物光合作用，实现了二氧化碳到淀粉的人工全合成。

三、人工合成淀粉的重大意义和发展前景

人工合成淀粉科研工作取得的突破性进展得到了国内外相关领域专家的高度评价，认为是“典型的0到1原创性突破”，是“扩展并提升人工光合作用能力前沿研究领域的重大突破，是一项具有‘顶天立地’重大意义的科研成果”，有潜力在经济社会发展中发挥重大作用。

一是形成碳中和新路径。人工合成淀粉以二氧化碳主要原料，产出淀粉，即二氧化碳转化为淀粉固定下来。所以，人工合成淀粉也实际体现为一种新的、潜力巨大的负碳技术，在未来成熟并大规模使用后，为实现碳中和做出显著贡献。

二是保障粮食安全。专家介绍，经核磁共振等检测发现，人工合成的淀粉分子与天然淀粉分子的结构组成一致，也就是说和天然淀粉没有区别，是可以食用的。专家预期，一旦该技术步入工业化量产，今后占地约1米的机器就可产5亩地的淀粉。这为以后人类在保障粮食安全的前提下减少从农作物中摄取能量，提供了一个潜力巨大的解决方案，专家评价其“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”“将在下一代生物制造和农业生产中带来变革性影响”，还有一些国家表示，中国这项科技可为解决世界农业问题探明方向。

三是节约大量能源。农业生产需要大量化肥和农药，它们的生产和运输会消耗大量能源。农业生产还需要使用大量农业机械，也会消耗大量能源。以人工合成淀粉替代农业生产就可把其中一部分能源节省下来，相应减少温室气体排放，实现大量减碳,还可同时减少农药、化肥等对环境的负面影响。另一方面，人工合成淀粉的生产过程非常耗能，会不会产生更多的二氧化碳？如果所需要的能源无需使用化石能源，而是来自太阳能发电、风力发电等可再生能源，这个问题就有了圆满解决方案。

四是节约大量土地和水资源。随着人口的不断增长和所需要的食物越来越多，农业种植需要占用的土地资源和水资源也越来越多。有分析认为，如果未来该系统过程成本能够降低至与农业种植相比具有经济可行性，将可能节约90%以上的耕地和淡水资源。同时，这也可显著减少农业生产适应气候变化尤其是应对洪涝等灾害的压力和投入。

五是助力其他技术发展和应用。我国二氧化碳人工合成淀粉的研发成功，将为农业发展、医疗应用、人造食品、可持续新能源以及新型材料等提供助力。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。麦肯锡数据显示，未来10年到20年，合成生物学每年对材料、化学和能源的直接和间接经济影响或达2000亿到3000亿美元。

目前，从二氧化碳到淀粉的人工合成的科研成果尚处于实验室阶段，离实际应用还有相当长的距离，后续还需要尽快实现从“0到1”的概念突破到“1到10”和“10到100”的转换，为此需要组织更多方面的科研力量和产业力量，进行持续投入和攻关。未来，一旦这项成果发展成为可规模化应用的产业技术，以上潜力就会释放出来。

供稿：中国清洁发展机制基金管理中心 冯林琳、温刚