從0到1的突破！
——人工合成淀粉的意義與前景
本報(bào)記者 沈 慧
設(shè)想一下，不需要種地，也不需要綠色植物，以太陽(yáng)光、水和二氧化碳為原料，在工廠里就可以像植物一樣源源不斷生產(chǎn)出淀粉。是不是很神奇？而今，這看似遙不可及的一幕，在不久的將來(lái)，有望實(shí)現(xiàn)。
近期，中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所傳來(lái)喜訊：經(jīng)過(guò)6年技術(shù)攻關(guān)，科研團(tuán)隊(duì)在淀粉人工合成方面取得重大突破性進(jìn)展，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的從頭合成。
不依賴(lài)植物光合作用，設(shè)計(jì)人工生物系統(tǒng)固定二氧化碳，合成淀粉，這一被國(guó)際學(xué)術(shù)界認(rèn)為將是影響世界的重大顛覆性技術(shù)，究竟有何厲害之處？其突破，又有何科學(xué)意義和現(xiàn)實(shí)意義？記者就此采訪了論文的作者及相關(guān)專(zhuān)家。
突破瓶頸
中國(guó)人偏重碳水飲食，清代美食家袁枚曾在《隨園食單》中這樣寫(xiě)道，“粥飯本也，余菜末也”，足見(jiàn)國(guó)人對(duì)碳水的寵愛(ài)。這里所說(shuō)的碳水即碳水化合物，由碳、氫、氧組成，是人類(lèi)生存必不可少的元素。而淀粉就是“粥飯”中最主要的碳水化合物，它是面粉、大米、玉米等糧食的主要成分，是養(yǎng)活全球人口最重要的食物原料，同時(shí)也是重要的工業(yè)原料。
多少年來(lái)，農(nóng)作物通過(guò)光合作用，將水、二氧化碳等無(wú)機(jī)化合物合成可作為動(dòng)物飼料和人類(lèi)食物的糖類(lèi)乃至淀粉等碳水化合物，是地球上最重要的生物化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。但這是效率最高的淀粉生產(chǎn)方式嗎？答案是否定的。
根據(jù)論文通訊作者、天津工業(yè)生物所所長(zhǎng)馬延和提供的數(shù)據(jù)，在玉米等農(nóng)作物中，將二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)榈矸?，涉及約60步代謝反應(yīng)以及復(fù)雜的生理調(diào)控，太陽(yáng)能的利用效率不足2%?！爸参锝?jīng)過(guò)億萬(wàn)年進(jìn)化，適應(yīng)了自然環(huán)境，其固有屬性制約了淀粉高效合成?！瘪R延和稱(chēng)。
有沒(méi)有一種辦法能夠擺脫植物來(lái)合成淀粉？自合成生物學(xué)誕生以來(lái)，人們就開(kāi)始嘗試人工構(gòu)建非自然途徑，實(shí)現(xiàn)二氧化碳到淀粉的轉(zhuǎn)化，以突破植物媒介光合作用的瓶頸。但是，因?yàn)榧夹g(shù)路線不清、瓶頸問(wèn)題難測(cè)，這條科研之路存在很多不確定性。
馬延和等人還是決定勇闖“無(wú)人區(qū)”。2015年起，天津工業(yè)生物所在中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目和天津市財(cái)政專(zhuān)項(xiàng)的支持下，立項(xiàng)開(kāi)展二氧化碳合成淀粉的研究。
6年鏖戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)終于如愿以?xún)敗Ｕ撐牡谝蛔髡摺⑻旖蚬I(yè)生物所副研究員蔡韜興奮地說(shuō)：“我們拿合成淀粉與自然界中的淀粉比較，得到核磁結(jié)果是一模一樣的，可以說(shuō)，合成淀粉實(shí)際上與自然的淀粉是沒(méi)有區(qū)別的。”
這意味著什么？數(shù)據(jù)顯示，2019年，全世界有近7.5億人面臨重度糧食不安全，占世界總?cè)丝诮种弧！凹词故翘娲徊糠旨Z食淀粉作為工業(yè)原料甚至飼料，也是對(duì)緩解農(nóng)業(yè)壓力的巨大貢獻(xiàn)?！瘪R延和表示。
技術(shù)路徑
用二氧化碳人工合成淀粉，這項(xiàng)顛覆性技術(shù)是如何煉成的？馬延和告訴記者，從能量角度看，光合作用的本質(zhì)是將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)藏在淀粉中的化學(xué)能。
可如何更高效地將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能？模擬和借鑒自然過(guò)程，構(gòu)筑新的人工光合途徑，科研人員想到了光能—電能—化學(xué)能的能量轉(zhuǎn)變方式，首先通過(guò)光伏發(fā)電將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽ㄟ^(guò)光伏電水解產(chǎn)生氫氣，然后通過(guò)催化利用氫氣將二氧化碳還原生成甲醇，將電能轉(zhuǎn)化為甲醇中儲(chǔ)存的化學(xué)能，該過(guò)程的能量轉(zhuǎn)化效率超過(guò)10%，遠(yuǎn)超光合作用的能量利用效率。
甲醇儲(chǔ)存了來(lái)自太陽(yáng)能的能量，但是自然界中并不存在甲醇合成淀粉的生命過(guò)程。于是，科研人員又利用合成生物學(xué)的思想，從海量的生物化學(xué)反應(yīng)數(shù)據(jù)中設(shè)計(jì)出了一條僅包含10步主反應(yīng)的甲醇到淀粉的人工路線ASAP。
為將設(shè)計(jì)藍(lán)圖變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，科研人員還挖掘與改造了來(lái)自動(dòng)物、植物、微生物等31個(gè)不同物種的62個(gè)生物酶催化劑，最終優(yōu)中選優(yōu)，使用10個(gè)酶逐步將一碳的甲醇轉(zhuǎn)化為三碳的二羥基丙酮，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為六碳的磷酸葡萄糖，最終合成了直鏈和支鏈淀粉。
“這是實(shí)現(xiàn)人工光合作用合成淀粉的一種過(guò)程?！瘪R延和說(shuō)，從科學(xué)突破角度看，這一人工途徑的淀粉合成，向設(shè)計(jì)自然、超越自然目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)邁進(jìn)了一大步，為創(chuàng)建新功能的生物系統(tǒng)提供了新的科學(xué)基礎(chǔ)。
從技術(shù)創(chuàng)新角度看，通過(guò)發(fā)展高效的人工催化劑和生物酶，研究團(tuán)隊(duì)從6568個(gè)生化反應(yīng)中設(shè)計(jì)形成固碳與人工合成淀粉新途徑。按照20%的光電轉(zhuǎn)化效率計(jì)算，這條化學(xué)、生物雜合的人工合成淀粉新系統(tǒng)，理論能量轉(zhuǎn)化效率可達(dá)7%，其淀粉合成速率比自然光合作用提高了3.5倍。
這意味著什么？蔡韜解釋?zhuān)凑漳壳凹夹g(shù)參數(shù)推算，在能量供給充足的條件下，理論上1立方米大小的生物反應(yīng)器年產(chǎn)淀粉量相當(dāng)于5畝土地玉米種植的淀粉產(chǎn)量(按我國(guó)玉米淀粉平均畝產(chǎn)量計(jì)算)，“這一成果為從二氧化碳到淀粉生產(chǎn)的工業(yè)車(chē)間制造打開(kāi)了一扇窗”。
應(yīng)用前景
在江南大學(xué)原校長(zhǎng)、中國(guó)工程院院士陳堅(jiān)看來(lái)，食品生產(chǎn)大約占據(jù)全球40%的耕地，產(chǎn)生了25%的溫室氣體，作為最主要的糧食成分之一，淀粉的可持續(xù)供應(yīng)是人類(lèi)未來(lái)面臨的重要挑戰(zhàn)。這項(xiàng)研究成果將化學(xué)與生物的方法相結(jié)合，采用蛋白質(zhì)工程和合成生物學(xué)等一系列新技術(shù)，從二氧化碳直接合成淀粉，完全顛覆了傳統(tǒng)的淀粉生產(chǎn)方式。這項(xiàng)研究工作是典型的從“0到1”的原創(chuàng)性成果，不僅對(duì)未來(lái)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(duì)全球生物制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有里程碑式的意義。
馬延和表示，如果未來(lái)該系統(tǒng)過(guò)程成本與農(nóng)業(yè)種植相比具有經(jīng)濟(jì)可行性，并實(shí)際應(yīng)用，將有可能節(jié)約90%以上的耕地和淡水資源，避免農(nóng)藥、化肥等對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，提高人類(lèi)糧食安全水平。
不過(guò)，他同時(shí)強(qiáng)調(diào)，目前該成果尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，離實(shí)際應(yīng)用還有相當(dāng)長(zhǎng)的距離，且面臨諸多挑戰(zhàn)。
“后續(xù)，研究團(tuán)隊(duì)還需要盡快實(shí)現(xiàn)從‘0到1’的概念突破到‘1到10’和‘10到100’的轉(zhuǎn)換，讓這項(xiàng)技術(shù)最終成為解決人類(lèi)發(fā)展問(wèn)題的有效手段和工具?！敝锌圃焊痹洪L(zhǎng)周琪表示，中科院將集成相關(guān)科技力量，一如既往地支持該項(xiàng)研究深入推進(jìn)。
“當(dāng)今世界面臨全球氣候變化、糧食安全、能源資源短缺、生態(tài)環(huán)境污染等一系列重大挑戰(zhàn)，科技創(chuàng)新已成為重塑全球格局、創(chuàng)造人類(lèi)美好未來(lái)的關(guān)鍵因素。二氧化碳的轉(zhuǎn)化利用與人工合成淀粉，正是應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的重大科技問(wèn)題之一?！敝茜髡f(shuō)。