淀粉是粮食的主要成分，也是重要的工业原料。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。因粮食危机和气候变化、能源资源短缺、生态环境污染等一系列重大挑战等因素，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这些重大挑战。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，从C1（一碳化合物）到Cn（多碳化合物）的过程，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。
今日，中科院天津工业生物所与大连化学物理研究所合作，采用化学-酶法从二氧化碳经过多部反应，在无细胞作用下合成淀粉的成果"Cell-freechemoenzymaticstarchsynthesisfromcarbondioxide"在《Science》杂志重磅推出，为此领域突破性进展，具有划时代的意义。
整个工作采用化学-酶法途径，从二氧化碳(CO2)和氢在无细胞系统合成淀粉。通过计算路径设计起草了由11个核心反应组成的人工淀粉合成代谢途径(ASAP)，并通过模块组装和替代建立了人工淀粉合成代谢途径，通过3种瓶颈相关酶的蛋白质工程进行了优化。在一个具有时空分离的化学酶系统中，在氢的驱动下，淀粉合成途径以22nmol/min的速度将CO2转化为淀粉，这比玉米中淀粉的合成速度高出约8.5倍。这种方法为未来利用二氧化碳化学-酶法合成淀粉开辟了道路。
受天然光合作用的启发，科研人员在太阳能分解水制绿氢的技术上，进一步开发了高效的化学催化剂，把二氧化碳还原成甲醇等更容易溶于水的一碳化合物（也就是C1），完成了光能——电能——化学能的转化，该过程的能量转化效率超过10%，远超光合作用的能量利用效率（2%），也为后续进一步采用生物催化合成淀粉奠定了理论基础。
为了解决多步酶促反应的适配问题，基于每个模块终产物的碳原子数量，采用“模块化”——“搭积木”的思路，将整条途径拆分为四个模块，分别命名为C1（一碳化合物），C3（三碳化合物），C6（六碳化合物）和Cn（多碳化合物）模块。每个模块的底物和产物都是确定的，但是可以有多种反应过程，所以，需要明确四个模块最佳的组合方式。
在此基础上，需要解决热力学不匹配、动力学陷阱等问题，并对各模块进行不断调试、组装与调整整合，最终成功获得了ASAP1.0模式，实现人工淀粉的实验室合成，该途径包含了来自动物、植物、微生物等31不同物种的62个生物酶催化剂。
进一步的，为使酶促反应更高效协调反应，采用蛋白质工程改造手段，对ASAP1.0途径中三个关键限速步骤的关键酶进行了改造，解决了酶活性低，辅因子抑制，ATP竞争等关键问题，得到ASAP2.0tu途径，该途径生物酶催化剂的用量减少了近一倍（44%），淀粉的产率提高了13倍。
进一步地，与二氧化碳通过化学法还原生成甲醇的反应偶联，构建出包括一个化学反应单元和一个多酶反应单元的ASAP3.0，通过反应时空分离优化，解决了途径中的底物竞争、产物抑制、中间产物*性等问题，建立了生化级联反应系统，淀粉的产率又提高了10倍，并可实现直链淀粉与支链淀粉的可控合成。
可以说，该人工系统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过程简化为还原-转化-聚合反应过程。ASAP从太阳能到淀粉的能量效率是玉米的3.5倍，淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。
该成果目前尚处于实验室阶段，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”的转换，最终真正成为解决人类发展面临重大问题和需求的有效手段和工具。相信在科研人员与工业界的不断努力下，未来的淀粉生产工厂将会很快实现。
原文连接：