我國又一個“從0到1”的原創(chuàng)性成果
淀粉人工合成記
很少有人意識到，我們從一睜眼開始就離不開淀粉：刷牙、喝牛奶、穿衣服……作為糧食最主要的成分，也是重要的工業(yè)原料，淀粉幾乎涉及到人們生活的方方面面。如此重要的高分子碳水化合物，人類能否找到一種簡單經(jīng)濟的獲取方式？
早在6年前，中國科學家已產(chǎn)生若干個大膽的科學設想：如果人類不靠種地，是否也可以獲得淀粉；如果占空氣0.031%的二氧化碳能“變成”淀粉，人類還用擔心全球變暖嗎；如果人類不再靠天吃飯，糧食由土地種植轉向工廠制造，糧食危機還存在嗎……如果這一系列的“如果”變?yōu)楝F(xiàn)實，那么世界將如何被科學改變？
這些頗具科幻色彩的設想，如今在科學家的不懈探索下有望變成現(xiàn)實。前不久，中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所(以下簡稱天津工業(yè)生物所)研究團隊在人工合成淀粉方面取得重大突破性進展，首次在實驗室實現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的合成。
北京時間9月24日，這一成果論文在國際學術期刊《科學》雜志在線發(fā)表。這被認為是“從0到1”的原創(chuàng)性成果，突破了生化反應進化瓶頸，向設計生命邁進了一大步，為設計組裝新功能的生物系統(tǒng)提供了新的科學基礎。
人工合成淀粉——典型的從0到1的原創(chuàng)性成果
淀粉的重要似乎不言而喻，它是食物中最重要的營養(yǎng)成分，提供全球超過80%的卡路里，同時也是重要的飼料組分和工業(yè)原料。如果生產(chǎn)了近20億噸谷物糧食，其中約12億-14億噸是淀粉。
截至目前，持續(xù)了1萬多年的農(nóng)業(yè)種植，仍是生產(chǎn)淀粉的唯一途徑，人類早已習慣了這種既有的“造物”方式。
“自然造物”存在其局限性：上億年來，植物吸收了二氧化碳，在溫度、光照、生長周期等因素的復雜調(diào)控下，要經(jīng)過約60步代謝反應和細胞組件間運輸，最終才能通過“光合作用”實現(xiàn)淀粉的合成與積累。
以玉米等農(nóng)作物為例，在自然光合作用下，理論能量轉化效率為2%左右，太陽能利用效率過低。但這遠遠滿足不了現(xiàn)實的需求：傳統(tǒng)的糧食生產(chǎn)要消耗38%的土地、70%的淡水資源和大量的化肥、殺蟲劑。而我國作為全球第一人口大國，得用不到10%的耕地、6%的淡水資源，養(yǎng)活全球近20%的人口，糧食安全一直是我國面臨的重大挑戰(zhàn)。
科學家早已在思考：能否實現(xiàn)糧食生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，淀粉生產(chǎn)范式的改變？
2018年，美國提出了從二氧化碳出發(fā)合成葡萄糖(淀粉組分)的百年挑戰(zhàn)計劃。設計人工生物系統(tǒng)，不依賴植物合成淀粉，足以成為影響世界的重大顛覆性技術，“農(nóng)業(yè)工業(yè)化”的科技競爭進入了新賽道。
在此之前，中國科學家就已經(jīng)開始布局。
2015年，天津工業(yè)生物所的科學家正式向“二氧化碳到人工合成淀粉”這一國家重大前瞻性、戰(zhàn)略性科技問題發(fā)起“進攻”。圍繞淀粉人工合成的核心任務，該所總體研究部聯(lián)合10余個研究組形成“攻關團隊”，試著解析二氧化碳電氫還原等方面的“科學密碼”。
歷經(jīng)6年，中國科學家終于在實驗室“改寫”了自然進化里的光合作用過程——將植物淀粉合成的“羧化-還原-重排-聚合”以及需要組織細胞間轉運的復雜流程，簡化為“還原-轉化-聚合反應”過程，實現(xiàn)了直鏈淀粉和支鏈淀粉的可控合成。
根據(jù)目前技術參數(shù)推測，在能量供給充足的條件下，理論上1噸發(fā)酵罐年產(chǎn)淀粉，可相當于5畝土地的玉米淀粉的年平均產(chǎn)量，為淀粉生產(chǎn)的車間制造替代農(nóng)業(yè)種植提供了一種可能。
“這個工作是典型的從0到1的原創(chuàng)性成果�！敝袊こ淘涸菏筷悎哉J為，該成果不僅對未來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，特別是糧食生產(chǎn)具有革命性的影響，而且對全球生物制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有里程碑式的意義。
“淀粉藍”——第一次在試管看到后反復確認
這項成果論文的第一作者、天津工業(yè)生物所副研究員蔡韜至今清晰地記得一個日子，那是2018年7月24日，也是人工合成淀粉的“誕生日”。
那一天，他正在會場參會，手機收到了工作人員發(fā)來的照片。照片里有3個試管，其中兩個試管里呈現(xiàn)藍色。
“這是什么？”蔡韜問。
對方回復：“這就是我們想要做的人工合成淀粉。”
盡管之前已經(jīng)進行過幾百次實驗，但蔡韜他們從未見過人工合成下的“淀粉藍”。
蔡韜立馬起身回到實驗室，跟工作人員確認每一步、每一個細節(jié)的環(huán)境，確認是否是假陽性結果。為保證實驗結果的準確性，團隊立馬設計了重復的實驗。
等到第二天，淀粉藍又如期出現(xiàn)在了試管里。
蔡韜激動地說：“這次的藍色得到了真實確證�！�
為了這一天，他們足足等了數(shù)個春秋。
6年磨一劍，“二氧化碳變淀粉”的“魔法術”，在天津工業(yè)生物所首次實現(xiàn)，這也是人類第一次實現(xiàn)了人工的“光合作用”過程生產(chǎn)淀粉，將自然過程直接簡化為11步。
在這項“頂天立地”的重大科學突破背后，是一群平均年齡36周歲的優(yōu)秀青年科學家團隊——組建之初，他們的平均年齡還要減去6歲。
2015年起，圍繞人工合成淀粉與二氧化碳生物轉化利用，中科院天津工業(yè)生物所開始了科技攻關。這“冷板凳”一坐就是6年。
蔡韜坦言，中途也曾有過任務進行不下去、想要放棄的時刻。與歷經(jīng)數(shù)十億年進化的自然途徑相比，人工設計的途徑在不同催化反應以及酶之間，存在兼容性差等一系列的科學問題。他告訴記者，“為了實現(xiàn)從‘0到1’的突破，實驗室里的記錄表堆起來，接近一個辦公桌的高度。”
整整6年時間，一個團隊為做一件事、一個目標、一個任務，緊緊地聚集在一起，生動詮釋了研究所一直倡導的“細胞文化”。整個科研項目實行“項目制”管理機制，每一個成員就如同一個“細胞組件”，各自功能分工明確，有機統(tǒng)一，將細胞應有的功能發(fā)揮到極致。
“中國科學歷史上從來不缺有挑戰(zhàn)精神的科學家，也從來不缺具有遠見卓識的管理者。”中科院副院長周琪提到，此次科研突破最大的意義在于，讓我們充分地認識到：“人，是有可能創(chuàng)造一些以往不存在的，但是更加合理的生物反應，可能會改變生命過程，甚至也可能改變工業(yè)進程；同時也讓我們再次認識到，有組織的建制化攻關機制和敢為人先、潛心研究、團結協(xié)作的科學家精神結合在一起，會迸發(fā)出多么強的創(chuàng)造力�！�
“立地”——跨越人工途徑生物進化的鴻溝
“人工合成淀粉”的設想已成現(xiàn)實。如今，人們開始追問，科學家為何一定要對光合作用“逆天改命”？
如果說，在此之前農(nóng)業(yè)種植是生產(chǎn)淀粉的唯一途徑，人們只能依靠春耕夏耘、秋收冬藏的方式獲得糧食淀粉；如果說上億年傳承下來的耕種方式，并沒有改變“四海無閑田，農(nóng)夫猶餓死”的現(xiàn)狀，全球仍有超過1億人處于嚴重饑餓狀態(tài)，糧食安全仍是未來重大挑戰(zhàn)之一。
那么，天津工業(yè)生物所首次實現(xiàn)了淀粉分子的全人工合成的科學成果，將為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來重大變革。
日本神戶大學副校長兼教授、日本理化研究所可持續(xù)資源科學中心副主任近藤昭彥感慨，“不依賴光合作用，從二氧化碳到淀粉的合成無疑是我們長期追求的夢想。我們可以利用合成的淀粉生產(chǎn)各種各樣的材料和食物�！�
在實驗室里，從二氧化碳轉化為淀粉的合成速率，是玉米在自然情況下合成與積累淀粉的速率的8.5倍，人工光合作用的能力得到了進一步擴展，“使淀粉生產(chǎn)的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植模式，向工業(yè)車間生產(chǎn)模式轉變成為可能，為二氧化碳原料合成復雜分子開辟了新的技術路線�！� 蔡韜說。
他告訴記者，可以大膽設想，當“二氧化碳制淀粉”技術被工業(yè)化運用后，未來淀粉的生產(chǎn)將通過類似“啤酒發(fā)酵”的模式，有可能在車間實現(xiàn)按需定制生產(chǎn)，變革傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植獲取的生產(chǎn)方式。而當二氧化碳制淀粉的生產(chǎn)工業(yè)車間，一旦具有經(jīng)濟可行性，將有可能會節(jié)約90%以上的耕地和淡水資源。
“以二氧化碳為原料人工合成淀粉，是利用合成生物學解決當今社會若干重大挑戰(zhàn)的驚人案例�！比鸬洳闋柲匪估砉ご髮W教授、美國工程院院士、中國工程院外籍院士延斯·尼爾森稱贊，這次重大突破將會為日后更多相關研究鋪平道路，這些研究的整合和應用將有助于解決未來面臨的重大挑戰(zhàn)。
“頂天”——有電就有糧
“立地”——人工合成淀粉將改寫上億年來人類依賴農(nóng)耕獲得淀粉的歷史；“頂天”——二氧化碳制淀粉將緩解地球溫室氣體的負擔。
曾經(jīng)，農(nóng)田是“碳源”�；省⑥r(nóng)藥、農(nóng)膜等農(nóng)業(yè)物料的生產(chǎn)中會排放大量的二氧化碳；耕田農(nóng)耕農(nóng)業(yè)機械的運用及農(nóng)業(yè)灌溉將耗費化石燃料，源源不斷地向大氣中排放二氧化碳。
在理論上，如果1個3噸發(fā)酵罐與1公頃土地淀粉產(chǎn)量相當，就等同于減少排放500噸碳。如今，我國正在打一場生態(tài)“硬仗”，要在2030年前碳排放達到峰值，2060年前實現(xiàn)“碳中和”。
蔡韜提到，如果能利用可再生能源產(chǎn)生的電能，將二氧化碳分子轉化為甲醇、甲酸等，不僅可將可再生能源以化學能的形式轉化和存儲，還能降低大氣中二氧化碳的濃度，緩解全球氣候變暖、海洋酸化等問題，是一種能同時實現(xiàn)碳循環(huán)利用和可再生能源存儲的有效途徑。
科研團隊作了一個大膽的設想：未來，可以進一步優(yōu)化種植業(yè)結構，減少資源高消耗、化學品投入大的農(nóng)作物種植，由單一農(nóng)產(chǎn)品供給功能向增加碳匯、保護生態(tài)環(huán)境的功能轉變。
“利用可再生資源產(chǎn)生的電能，實現(xiàn)了從溫室氣體二氧化碳再利用到糧食核心成分淀粉合成的跨越式發(fā)展�！辈添w說。
“有電就有糧”，就這樣走進現(xiàn)實。
中國科學院院士、中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心研究員趙國屏感慨，這一原創(chuàng)性成果，是擴展并提升人工光合作用能力前沿研究領域的重大突破，使淀粉生產(chǎn)的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植模式向工業(yè)車間生產(chǎn)模式轉變成為可能。同時，也展現(xiàn)了合成生物學工程科學研究策略的巨大潛能，為針對重大應用目標實現(xiàn)中的瓶頸科技問題開展基礎研究的戰(zhàn)略導向，提供了成功的范例。
“這是一項具有‘頂天立地’重大意義的科研成果�！壁w國屏說。
不過，科研團隊同時表示，這項成果尚處于實驗室階段，離實際應用還有相當長的距離。
周琪提醒客觀評價這項科學成果，他說，“后續(xù)還需要盡快實現(xiàn)從‘0到1’的概念突破到‘1到10’和‘10到100’的轉換，最終真正成為解決人類發(fā)展面臨重大問題和需求的有效手段和工具�！�
中青報·中青網(wǎng)見習記者 楊潔 記者 邱晨輝
