摘要：

人工光合成是利用太阳能等可再生能源通过连续催化反应将水和二氧化碳转化为液态燃料的过程, 是减少二氧化碳排放、实现绿色低碳发展的一种重要方法. 人工光合成的目标产物不仅包括二氧化碳转化与利用得到的能源小分子, 还包括淀粉和蛋白质等生物基大分子. 在自然光合作用中, 高等植物、绿藻和蓝细菌首先利用太阳能将水氧化放出氧气并产生还原型辅酶Ⅱ(NADPH)和腺苷三磷酸(ATP), 随后NADPH和ATP通过Calvin循环把二氧化碳转化为三碳糖(3-磷酸甘油醛), 进而合成能量储存分子—淀粉. 那么科学家是否可以道法自然, 耦合人工和生物材料催化体系发展出一条高效的人工光合成淀粉的途径呢? 2021年, 中国科学院天津工业生物技术研究所马延和研究团队在人工合成淀粉方面取得重大突破性进展, 通过化学能源催化与生物酶催化相结合的方式, 构筑了一条高效二氧化碳合成淀粉新途径, 国际上首次在实验室实现了二氧化碳到淀粉的从头合成.
本文从人工光合成和自然光合作用的角度, 阐述了从二氧化碳合成淀粉新途径的优势, 即以甲醇分子为纽带有效地匹配了CO₂的人工光合成转化和淀粉的生物催化合成. 一方面是能量的人工催化转化, 由于从二氧化碳合成大分子淀粉是热力学上的爬坡反应, 所以太阳能转化为化学能并存储在高能量密度碳氢化合物载体中, 解决了能量有效的输入, 对后续的生物大分子合成极为重要. 另一方面是淀粉的生物催化合成, 通过合成生物学方法, 理性设计和发展高效的酶催化途径, 解决了酶催化动力学方面的限制因素, 以高能C1化合物甲醇出发经过多步酶催化反应可控合成支链和直链淀粉. 因此, 正如自然光合作用的基本框架一样, 该人工光合成淀粉途径可分为光反应和暗反应两步: (1)光反应, 从太阳能—电能—氢能—“液态阳光”-甲醇; (2)暗反应, 以甲醇为原料通过C1—C3—C6—Cn的策略多步酶催化合成淀粉. 此外, 本文还对该体系中需要优化和解决的问题进行了简要分析. 总之, 人工光合成淀粉被认为“典型的从0到1原创性突破”, 对粮食生产将产生革命性的影响.

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