不靠植物造淀粉可能嗎?有戲!9月24日，《科學(xué)》在線發(fā)表了我國科研人員在淀粉人工合成方面取得的重大突破性成果。這項研究在國際上首次實現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的從頭合成，是基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的重大突破。

為全面呈現(xiàn)這項研究的“前世今生”，講述研究人員甘坐冷板凳、潛心科研攻關(guān)的故事，科技日報記者獨家專訪了論文通訊作者、中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所所長馬延和與論文第一作者、中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所副研究員蔡韜。

搶占事關(guān)長遠和全局的科技戰(zhàn)略制高點

科技日報記者：自然光合作用合成淀粉的過程非常復(fù)雜，人工合成淀粉難度更高。當(dāng)初，為什么會選擇“從二氧化碳到淀粉的人工合成”這個項目進行科技攻關(guān)?

馬延和：糧食安全是國家安全的重要基礎(chǔ)，我國一直積極推進農(nóng)業(yè)生物技術(shù)進步，從遺傳雜交育種到分子設(shè)計育種，我們一直在追趕著國際科技前沿。

有沒有可能“換道超車”?其實這個想法由來已久，即使是替代一部分糧食淀粉作為工業(yè)原料、甚至飼料，也是對緩解農(nóng)業(yè)壓力的巨大貢獻。

合成生物學(xué)被認為是影響未來的顛覆性技術(shù)。模擬自然作物光合作用，重新設(shè)計生命合成代謝過程，設(shè)計人工生物系統(tǒng)不依賴植物種植進行淀粉制造，潛藏著驚人的變革前景。的確，這條路線存在很多的不確定性，科學(xué)問題復(fù)雜、技術(shù)路線不清、瓶頸問題難測;但是，科學(xué)研究就需要大膽的實踐、勇闖無人區(qū)。

我們科技工作者要有強烈的國家使命感，面向國家重大戰(zhàn)略需求，在科技工作中作出重大創(chuàng)新貢獻是我們的責(zé)任擔(dān)當(dāng)。“從二氧化碳到淀粉的人工合成”的工業(yè)路徑是事關(guān)長遠和全局的科技戰(zhàn)略制高點，是國之重器。

科技日報記者：人工從二氧化碳合成淀粉這項研究是各國科學(xué)家都在開展嗎?能否介紹一下這個領(lǐng)域的競爭態(tài)勢?

蔡韜：擺脫植物進行二氧化碳固定是科學(xué)家多年來的夢想，二氧化碳人工生物轉(zhuǎn)化方面是國際上研究的熱點和難點，只要取得一定的突破，都是重磅的成果。

過去幾年，僅在《細胞》《自然》《科學(xué)》上發(fā)表的相關(guān)論文就不下十篇，主要集中在二氧化碳固定、人工光合作用等研究方向。2018年，美國國家航空航天局(NASA)更是提出了二氧化碳制造葡萄糖的百年挑戰(zhàn)計劃，但是目前淀粉的從頭人工合成還沒有實現(xiàn)突破。我們在國際上首次報道了二氧化碳到淀粉的全合成，這種人工合成淀粉的方式展現(xiàn)了超越自然淀粉合成方式的極大潛力，相信會有更多的科學(xué)家投身到這一極具挑戰(zhàn)性且具有重大戰(zhàn)略意義的領(lǐng)域。

曾懷疑過設(shè)計路線但從未想過放棄

科技日報記者：第一次成功合成淀粉是什么時候?首次看到“淀粉藍”，您有什么感受?后續(xù)又做了哪些工作?

蔡韜：第一次成功合成淀粉是在2018年7月24日。記得當(dāng)時是在參加項目的進展研討會，看到“淀粉藍”的照片的時候，心情非常激動!當(dāng)時就馬上和工作人員確定了合成的具體條件，排除假陽性出現(xiàn)的可能性，然后就是安排不同的人員重復(fù)合成淀粉的工作。

在確定實現(xiàn)碳一化合物到淀粉的人工合成后，其實也可以投稿發(fā)文章了，但是我們還是更加看重實用性，就著手提高人工淀粉的合成效率，在后續(xù)的兩年多的時間里將合成效率提高100多倍。人工合成淀粉盡管現(xiàn)在離實際應(yīng)用還有很大差距，但展現(xiàn)了未來產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的潛力。

科技日報記者：在“從二氧化碳到淀粉的人工合成”項目研究過程中，您取得了哪些重大突破?

蔡韜：植物合成淀粉的機制非常復(fù)雜，但從化學(xué)本質(zhì)上來看，還是還原、縮合、重排、聚合的過程。

我們從重新設(shè)計自然代謝途徑開始，首先解決了途徑計算設(shè)計中普遍存在的不適配難題，跨越了從虛擬到現(xiàn)實的鴻溝，將自然淀粉復(fù)雜的合成過程簡約至只有11步主要反應(yīng);

其次，突破了不同來源、不同遺傳背景的生物酶之間難以匹配的瓶頸，跨越了自然緩慢進化的鴻溝，超越了生物代謝途徑億萬年的進化效果，淀粉合成速率是玉米的8.5倍;

最后，“從二氧化碳到淀粉的人工合成”克服了化學(xué)和生物協(xié)同催化的障礙，實現(xiàn)利用高密度的電氫能合成淀粉分子，跨越了生化反應(yīng)能量傳遞的鴻溝，理論能量轉(zhuǎn)化效率是玉米的3.5倍。

科技日報記者：在項目研究過程中，請問您遇到的最大難題是什么?當(dāng)時有沒有想過放棄?

蔡韜：在研究過程中，我們遇到的最大的難題就是如何讓不同來源的酶元件按照設(shè)計的路徑在一起有效工作，我們?yōu)榇藴y試了不同來源的酶元件，設(shè)計、改造了多個酶基因，做了上百種不同的組合測試。

特別是在構(gòu)建淀粉人工合成途徑1.0時，我們用了近三年的時間才實現(xiàn)碳一化合物到淀粉的人工合成，在這之前，從來沒有研究證明設(shè)計人工途徑合成淀粉是可行的，在成功之前，我們最常問自己的問題就是這條路真的可行嗎?

當(dāng)1.0版本構(gòu)建成功后，我們非常有信心人工合成淀粉是可行的。然而，在項目進行了兩年半的時候，我們曾經(jīng)懷疑過這條設(shè)計的路線，但從來沒有想過放棄人工合成淀粉的工作。

弘揚科學(xué)家精神創(chuàng)新科研管理模式

科技日報記者：在項目實施過程中，為了使科研人員甘坐冷板凳、潛心科技攻關(guān)，請問研究所在科技管理模式上進行了哪些創(chuàng)新?

馬延和：淀粉的車間制造是我們提出以生物技術(shù)推動“農(nóng)業(yè)工業(yè)化”的一個標志。6年前項目開始設(shè)計時，誰也沒有把握，我們也做好了長期奮斗的準備，中國科學(xué)院、天津市的項目支持給了我們預(yù)研的機會，可是在人才競爭、大家要“成長”的環(huán)境下，組織團隊潛心研究、不問前程確實很難。

研究所積極探索科研管理模式創(chuàng)新，成立了項目制的總體研究部，項目組實行預(yù)算制，資源由研究所保障，不必申請競爭性經(jīng)費，擁有科技問題分解與組織的權(quán)力，自主協(xié)同各個學(xué)科研究組的力量。對項目組的考核，簡單、客觀、寬松，不計較論文產(chǎn)出，不計較一時勝敗，團隊成員的績效薪酬一般高于同等科技人員。

特別是，我們一直在弘揚科學(xué)家精神，培養(yǎng)家國情懷，所領(lǐng)導(dǎo)帶頭做淡泊名利、無私奉獻的表率，將“官兵一致同甘苦、革命理想高于天”的長征精神明確為研究所的文化，逐漸凝聚了一批有家國情懷、勇于創(chuàng)新、甘于坐冷板凳的優(yōu)秀青年科學(xué)家寧心靜氣、以十年磨一劍的精神潛心攻關(guān)。

科技日報記者：這項研究工作被認為是基礎(chǔ)研究領(lǐng)域“從0到1”的原創(chuàng)性突破，請問在您看來，這項研究將產(chǎn)生怎樣的影響?有什么意義?

馬延和：這項研究不是自由探索的基礎(chǔ)研究，而是需求導(dǎo)向、問題導(dǎo)向、目標導(dǎo)向的基礎(chǔ)研究，開展多學(xué)科交叉研究，是生命科學(xué)研究的新范式。此次研究設(shè)計、組裝出一種自然界不存在的淀粉合成代謝途徑，并使其工作效率大幅高于自然生物過程，解決了生物功能從虛擬到現(xiàn)實、人工途徑生物進化、生化反應(yīng)能量傳遞等科學(xué)難題，體現(xiàn)了學(xué)習(xí)自然、模仿自然、超越自然的理念，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。

合成生物技術(shù)耦合化學(xué)催化技術(shù)，建立了高能量密度、高二氧化碳濃度生物轉(zhuǎn)化的新技術(shù)路線，雖然從實驗室到工業(yè)化應(yīng)用還面臨眾多的科技挑戰(zhàn)，但孕育了巨大的產(chǎn)業(yè)變革新機。對于把二氧化碳資源化轉(zhuǎn)變?yōu)槭称?、材料、化學(xué)品等綠色低碳產(chǎn)業(yè)發(fā)展將產(chǎn)生重大影響，建立了一個創(chuàng)新賽道的新起點。未來二氧化碳到淀粉的人工合成技術(shù)如果具有經(jīng)濟可行性，工業(yè)車間制造淀粉將會實現(xiàn)，與農(nóng)業(yè)種植相比，可以節(jié)省超過90%的土地和淡水資源，并且消除化肥和農(nóng)藥對環(huán)境的負面影響，必將帶來一場新的產(chǎn)業(yè)變革，對于保障糧食安全、促進社會經(jīng)濟可持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展具有重大戰(zhàn)略性意義。(記者 陸成寬 )

關(guān)鍵詞： 植物 淀粉 人工合成 糧食淀粉