淀粉是粮食最主要的成分，在我国，家家户户的餐桌上都离不开淀粉的加持。同时它也是重要的工业原料。淀粉是一种高分子碳水化合物，是由葡萄糖分子聚合而成的多糖。目前，淀粉主要由玉米等农作物通过自然光合作用固定二氧化碳生产，涉及约60步代谢反应以及复杂的生理调控，理论能量转化效率仅为2%左右。面对粮食危机和气候变化，人类迫切需要可持续供应淀粉和利用二氧化碳的战略来打破目前的僵局。
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。此前，多国科学家积极探索，但一直未取得实质性重要突破。继上世纪60年代在世界上首次完成人工合成结晶牛胰岛素之后，中国科学家又在人工合成淀粉方面取得重大颠覆性、原创性突破——国际上首次在实验室实现二氧化碳到淀粉的从头合成。
近期，中国科学院天津工业生物技术研究所马延和团队，国际上首次在实验室实现了从二氧化碳到淀粉的人工合成，并将约60步的代谢反应缩短为11步，其合成速率是传统玉米淀粉合成速率的8.5倍。这一“从0到1”的重大原创性突破工作于9月24日发表于国际权威学术期刊《科学》。
研究团队采用了一种类似“搭积木”的方式，利用化学催化剂将高浓度二氧化碳在高密度氢能作用下还原成碳一化合物，然后通过设计构建碳一聚合新酶，依据化学聚糖反应原理将碳一化合物聚合成碳三化合物，最后通过生物途径优化，将碳三化合物又聚合成碳六化合物，再进一步合成直链和支链淀粉。
这一人工途径的淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍，向设计自然、超越自然目标的实现迈进了一大步，为创建新功能的生物系统提供了新的科学基础。这一成果使淀粉生产的传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能，并为二氧化碳原料合成复杂分子开辟了新的技术路线。
据介绍，如果未来该系统过程成本能够进一步降低，与农业种植相比具有经济可行性，将有可能节约90%以上的耕地和淡水资源，避免农药、化肥等对环境的负面影响，提高人类粮食安全水平，促进碳中和的生物经济发展，推动形成可持续的生物基社会。《科学》评审专家评价：“该项工作是一项里程碑式突破，将在下一代生物制造和农业生产中带来变革性影响。
”据科研团队介绍，在充足能量供给的条件下，按照目前的技术参数推算，理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于我国5亩土地玉米种植的平均年产量。该研究的通讯作者马延和说：“这一成果使淀粉生产的传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能，并为二氧化碳原料合成复杂分子开辟了新的技术路线。”