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糧食是國計民生的重要基礎，糧食安全是我國社會可持續發展的重要保障。隨著社會的發展和人們生活質量的提高，以淀粉為基本單元的糖類化合物、蛋白質、天然和非天然氨基酸以及有機酸分子作為最基礎的食物和生產原料，由于氣候環境的變化，農業耕地的問題等，其生產面臨新的挑戰。 多少年來，人類的食物都是大自然光合作用的饋贈。綠色植物利用太陽光進行光合作用，將水和二氧化碳轉化成有機化合物，為地球上一切生物包括人類的生存和發展提供了物質和能量基礎。光合作用是地球生物圈中能量循環不可缺少的環節，時時刻刻在調節著人類賴以生存的地球環境。 光合作用的本質是在溫和的條件下將太陽能轉化為化學能，并將能量儲存在生物有機物分子中，是一個重要的能量轉化和物質合成過程。這個過程讓我們對大自然充滿了好奇，也更加崇拜自然的力量。道法自然，人們通過研究自然光合作用過程獲得靈感，嘗試構筑人工光合作用系統，利用太陽光、水和二氧化碳合成人類可以直接利用的潔凈可再生能源以及糧食。 在科學家眼里，人工光合作用的研究是一尊“化學圣杯”。 淀粉是食物的主要成分，以葡萄糖分子為基本單元。如何模擬和借鑒自然過程，構筑新的人工光合成途徑，利用太陽光、水和二氧化碳合成葡萄糖分子，是科學家追求的目標。科學層面上，人工光合成淀粉過程涉及到（1）光能的轉化，即通過半導體材料將太陽能捕獲并轉化為化學能或者電能；（2）水分子氧化放出氧氣，即利用太陽能或者電能通過光（電）催化水分解產生氧氣和氫氣；（3）二氧化碳分子的逐步還原，即二氧化碳分子利用電極表面的電子或者氫氣分子為還原力，被還原為液體燃料（甲酸，甲醇等）；（4）碳碳鍵的生成，即二氧化碳還原的一碳產物，比如甲醇通過酶催化氧化還原反應產生C3的有機小分子（5）生物大分子的形成，即C3的小分子進一步的偶聯，轉化結構和構型，生成C6葡萄糖分子，并聚合為淀粉。這些反應每一步都是一個挑戰。 近日，中國科學院天津工業生物技術研究所和大連化學物理研究所李燦院士團隊合作，在Science上發表了結合人工光合反應和生物酶催化反應構筑了從水和二氧化碳合成淀粉的新體系，得到了社會各界廣泛的關注。正如自然光合作用的原理一樣，這條人工淀粉合成途徑（Artificial Starch Anabolic Pathway，ASAP）體系也可以分為光反應和暗反應，將能量的轉化和物質的合成串聯進行，包括11個核心反應。光反應利用取之不盡，用之不竭的太陽能發電在電解水制備綠氫，完成光能——電能——化學能的轉化與存儲。暗反應第一階段，分解水產生的氫氣作為還原力、將二氧化碳加氫轉化為甲醇分子，把可再生能源存儲在液體燃料中。然后暗反應后續階段以甲醇為碳骨架和能源載體，進一步的通過酶催化的反應，合成生物大分子葡萄糖，最后進行聚合產生我們所需要的淀粉。這是“道法自然”，實現人工光合成淀粉的一種過程，通過發展高效的人工催化劑和生物酶，理性設計反應途徑，這條化學生物雜合新途徑的淀粉合成效率比自然光合作用提高了8倍以上，為實現“雙碳”目標，以及解決糧食和飼料等問題提供了重要的科學和技術策略。 |
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