据2020年联合国五大机构发布的《世界粮食安全和营养状况》统计，2019年，全世界有近7.5亿人面临重度粮食不安全，占世界总人口近十分之一；全世界共有20亿人无法正常获取安全、营养、充足的食物。为了满足人们对粮食的巨大需求，科学家们把目光投向了提供全球80%以上热量摄入的淀粉。目前淀粉主要由绿色植物通过光合作用对二氧化碳固定进行合成，这其中涉及大约60个步骤的生化反应和复杂的多层次调控。虽然人们已经做出了许多努力来提高植物淀粉的产量，但光合作用效率低下和淀粉生物合成的复杂性仍然是进一步提高淀粉产量的主要障碍。开发高效淀粉生产的新方法对于满足巨大的食品需求具有重要的战略意义。

　　受天然光合作用的启发，人们开发了高效的化学催化剂，可以有效地从太阳能和水中产生电子或氢，将二氧化碳还原为一氧化碳、甲酸、甲醇、甲烷等。这为以二氧化碳和可再生能源为底盘，利用化学-酶法合成淀粉奠定了理论基础。考虑到酶催化反应通常在水溶液中进行，科研人员选择水溶性良好的甲酸和甲醇作为连接化学催化反应和生物酶反应的中间体，基于酶数据库中的酶反应信息，通过计算机路径设计，分别从甲酸或甲醇出发，设计了两条最简洁的人工淀粉合成路径。理论上，二氧化碳仅通过9个核心反应即可经由甲酸或甲醇合成淀粉。

　　实现人工多酶反应路径的一大挑战在于，天然反应路径通过长期自然选择进化而成，其中的各个酶都能够很好地适配协作，而人工设计的反应路径却未必如此。为了解决酶的适配问题，科研人员把整条路径拆分成了四个反应模块，基于每个模块的终产物的碳原子数量，将这些模块依次命名为：C1模块（二氧化碳经由甲酸或甲醇生成甲醛），C3模块（利用甲醛合成甘油醛3-磷酸），C6模块（利用甘油醛3-磷酸合成葡萄糖6-磷酸），和Cn模块（利用葡萄糖6-磷酸合成淀粉）。科研人员对这些模块依次进行了测试、组装和调整。首先，发现最初设计的C1模块虽然能够将甲酸和甲醇分别转化为甲醛，但生成的甲醛量极少，不足以触发下游C3模块的反应。因此重新设计了另外3种C1模块的反应路径，最终发现利用甲醇氧化酶直接氧化甲醇生成的甲醛产量最高，与C3模块结合时能够成功将甲醇转化为最多的甘油醛3-磷酸。将上述C1与C3模块的组合进一步与C6模块组装时，又发现产生的葡萄糖6-磷酸很少，不利于后续淀粉的生产。造成这种现象的原因之一是C3模块中的二羟基丙酮激酶（dak）和C6模块中的果糖-6磷酸醛缩酶（fsa）之间的活性不匹配，此外，C3模块中的甲醛酶（fls）催化反应的副产物乙醇醛对fsa造成了竞争性抑制。因此在最初的C6模块的基础上增加了另一个醛缩酶fsb，并且由于fsb会受到ATP和ADP（二者均为dak酶所必需的辅因子）的抑制，又加入了一个基于多聚磷酸激酶的ATP再生步骤，将反应系统中的ATP和ADP维持在较低的浓度范围，由此成功将C1、C3与C6模块组合，利用甲醇生成葡萄糖6-磷酸。接下来，将上述组合与Cn模块组装，但由于上游反应产生的无机磷（Pi）浓度相对葡萄糖1-磷酸（G1P）的浓度较高，对Cn模块中生成直链淀粉的α-葡聚糖磷酸化酶造成了抑制，没有检测到淀粉的生成。因此重新构建了一个有ATP参与的Cn模块，该模块能够在高Pi/G1P值的条件下运行。将重新设计的Cn模块与上游的C1、C3、C6模块组装后，成功建立了人工淀粉合成代谢途径(ASAP) 1.0,它包含来源于自然界不同细菌、真菌的总共10种酶，可以利用20 mM甲醇生产30.4 mg/L的直链淀粉。

　　科研人员通过对ASAP 1.0进行深入分析，找到了三个限速步骤，包括：酶fls的活性较低，酶fbp的活性受到ATP和ADP的抑制，以及酶dak和agp之间存在对辅酶ATP的竞争。因此，使用蛋白质工程改造的手段，对系统中的fls、fbp、agp这三个酶进行了改造，提升了它们的酶学性质，由此构建出ASAP 2.0系统，它在10小时内能够利用20 mM甲醇产生229.3 mg/L直链淀粉。与ASAP 1.0相比，ASAP 2.0的淀粉产率提高了7.6倍，而酶的用量减少了44%。

　　在ASAP 2.0成功后，科研人员将其与二氧化碳通过化学法还原的反应偶联，构建出包括一个化学反应单元和一个酶反应单元的ASAP 3.0系统。在ASAP 3.0的化学反应单元中，二氧化碳在氧化锌-二氧化锆（ZnO-ZrO2）催化剂作用下进行加氢反应，生成的甲醇被持续浓缩进而流入酶反应单元，在多酶级联催化下合成直链淀粉，淀粉产率达到409.3 mg·L-1·h-1。由于天然淀粉大约含有20-30%的直链淀粉和70-80%的支链淀粉，又向ASAP 3.0系统中引入了淀粉分支酶（sbe），证明了系统同样具备合成支链淀粉的能力。ASAP 3.0对二氧化碳的转化率达到21.9 nmol·min-1mg-1(总催化剂和蛋白质)，是玉米中Calvin循环固定二氧化碳成淀粉效率的8.5倍。

　　本研究的开展与实施，是从认识自然，到学习自然，再到超越自然的过程。在研究中，科研人员使用自然界存在的来源于不同细菌、真菌的酶进行组合设计，创建出了一个新型人工反应系统。进而，通过对各反应模块的反复调试和组装，以及对性质不佳的酶进行工程改造，实现了利用甲醇合成淀粉的设计目标，并成功地提高了反应的效率。将上述酶反应与化学催化二氧化碳生成甲醇的反应相结合，最终获得了一种将二氧化碳转化为淀粉的新方法，该方法比自然界中的光合作用的反应步骤更少，效率更高。在未来，如果将该系统进一步与光伏和水电解装置相结合，ASAP系统或许可以像植物一样利用二氧化碳、水和阳光生产淀粉。