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人工合成淀粉样品

可降解塑料餐具样品

微生物蛋白样品

利用人工途径从二氧化碳合成淀粉示意图。

中国科学院天津工业生物技术研究所人工合成淀粉研究中心实验室。

以上图片均为中国科学院天津工业生物技术研究所提供

网友：我最近看到新闻，研究人员在尝试直接捕集海水中的二氧化碳，并合成为可生物降解的塑料。这是不是属于“生物制造”的范畴？二氧化碳还能转化成什么？

编辑：没错，你提到的正是当前科技前沿热点——二氧化碳不仅是温室气体，更是潜在的“碳资源”。

“十五五”规划建议提出，“完善新型举国体制，采取超常规措施，全链条推动集成电路、工业母机、高端仪器、基础软件、先进材料、生物制造等重点领域关键核心技术攻关取得决定性突破。”二氧化碳的生物转化，是生物制造领域极具潜力的方向。二氧化碳是生物固定和转化的原料，是全球碳素循环的重要参与者，其转化的有机物支撑着整个食物链。通过生物技术，二氧化碳可以“变身”为淀粉、蛋白质、燃料乃至可降解塑料。

本期“瞰前沿”，我们邀请中国科学院天津工业生物技术研究所研究员蔡韬，介绍二氧化碳生物固定和转化研究领域的最新进展。

二氧化碳是温室气体，也是重要的生物制造原料

我们每时每刻都在呼出的二氧化碳，是生命代谢的产物，也是自然界碳循环的关键一环。这种看不见的气体，也是全球气候治理的焦点。

二氧化碳如同覆盖在地球表面的“保温被”，适量存在能将地球表面平均温度维持在15摄氏度左右，使生命繁衍成为可能。然而，工业革命以来，人类活动加剧，这床“被子”正在变得越来越厚。化石燃料燃烧、土地利用变化等导致大气中温室气体浓度持续攀升，全球气温不断升高，随之而来的是冰川加速消融、海平面上升、极端天气事件频发等一系列连锁反应。

面对这一严峻挑战，国际社会对碳中和愈加重视。减少排放是应对策略的一个方面。另一方面，如何将二氧化碳转化为有用的资源，变被动减排为主动利用？这是可持续发展的思路。

事实上，二氧化碳本身就是全球碳循环的重要参与者，是生物制造的第三代原料。在可再生能源驱动下，二氧化碳可通过生物转化技术，被赋予新的“生命”——变成淀粉、蛋白质、燃料乃至可降解塑料。这场“碳转化”实践，正在世界各地的实验室和工厂中悄然进行。

从模仿自然到人工创造，高效转化二氧化碳有了新路径

大自然本身就是二氧化碳转化的大师。约35亿年前，原始蓝藻就开始固定转化二氧化碳，为地球生命演化奠定基础。如今，地球上能转化利用二氧化碳的生物主要分为光能自养生物（如植物、藻类）和化能自养生物（如硝化细菌）。它们通过不同的固碳途径将二氧化碳转化为有机物，其中最为人熟知的是卡尔文循环——这一途径为人类提供了绝大部分的粮食和氧气，其发现者梅尔文·卡尔文于1961年获得诺贝尔化学奖。

然而，自然界的固碳系统并非完美。卡尔文循环中的关键酶在捕捉二氧化碳时缺乏“专一性”，经常误绑氧气分子，从而启动耗能的光呼吸过程，导致固碳效率降低。这就像是一个效率不高的生产线，需要不断进行补救操作。

为了提高二氧化碳的利用效率，科学家尝试对该固碳途径进行“升级改造”。在烟草中引入更高效的光呼吸替代途径，成功回收部分损失的二氧化碳；通过强化“光保护”机制减少对光合作用的抑制，这一策略在烟草和大豆中均验证成功；还有研究团队向植物中引入额外的二氧化碳固定途径，如在水稻中引入光呼吸替代途径，显著提高了碳固定效率和产量。

但真正的突破来自跳出自然局限，从头设计全新的人工固碳途径。2016年，德国科学家设计并组装了第一条自然界中不存在的固碳途径——CETCH循环，其固碳效率显著高于天然的卡尔文循环。2021年，科研人员成功创建了POAP循环，仅包含4步反应，是已知最短的固碳路径。2023年，德国团队进一步设计出THETA循环并将其成功“植入”大肠杆菌，迈出了将复杂人工固碳途径移入细胞内的第一步。这些突破为高效转化二氧化碳提供了全新路径，标志着从简单模仿自然迈向了自主设计的新阶段。

产业化路径逐渐清晰，推动生物固碳效率提升

目前，基础研究的突破催生一系列颠覆性应用，二氧化碳生物转化的产业化路径逐渐清晰。