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(jì)的獲取方式？
早在6年前，中國科學(xué)家已產(chǎn)生若干個大膽的科學(xué)設(shè)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(dān)心全球變暖嗎；如果人類不再靠天吃飯，糧食由土地種植轉(zhuǎn)向工廠制造，糧食危機(jī)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(xué)改變？
這些頗具科幻色彩的設(shè)想，如今在科學(xué)家的不懈探索下有望變成現(xiàn)實。前不久，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所(以下簡稱天津工業(yè)生物所)研究團(tuán)隊在人工合成淀粉方面取得重大突破性進(jìn)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(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志在線發(fā)表。這被認(rèn)為是“從0到1”的原創(chuàng)性成果，突破了生化反應(yīng)進(jìn)化瓶頸，向設(shè)計生命邁進(jìn)了一大步，為設(shè)計組裝新功能的生物系統(tǒng)提供了新的科學(xué)基礎(chǔ)。
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(xí)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(fù)雜調(diào)控下，要經(jīng)過約60步代謝反應(yīng)和細(xì)胞組件間運(yùn)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(zhuǎn)化效率為2%左右，太陽能利用效率過低。但這遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(xué)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(shè)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(shù)，“農(nóng)業(yè)工業(yè)化”的科技競爭進(jìn)入了新賽道。
在此之前，中國科學(xué)家就已經(jīng)開始布局。
2015年，天津工業(yè)生物所的科學(xué)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(jìn)攻”。圍繞淀粉人工合成的核心任務(wù)，該所總體研究部聯(lián)合10余個研究組形成“攻關(guān)團(tuán)隊”，試著解析二氧化碳電氫還原等方面的“科學(xué)密碼”。
歷經(jīng)6年，中國科學(xué)家終于在實驗室“改寫”了自然進(jìn)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(xì)胞間轉(zhuǎn)運(yùn)的復(fù)雜流程，簡化為“還原-轉(zhuǎn)化-聚合反應(yīng)”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(shù)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(dāng)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。”中國工程院院士陳堅認(rèn)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(lán)”——第一次在試管看到后反復(fù)確認(rèn)
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(jī)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(lán)色。
“這是什么？”蔡韜問。
對方回復(fù)：“這就是我們想要做的人工合成淀粉。”
盡管之前已經(jīng)進(jìn)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(lán)”。
蔡韜立馬起身回到實驗室，跟工作人員確認(rèn)每一步、每一個細(xì)節(jié)的環(huán)境，確認(rèn)是否是假陽性結(jié)果。為保證實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，團(tuán)隊立馬設(shè)計了重復(fù)的實驗。
等到第二天，淀粉藍(lán)又如期出現(xiàn)在了試管里。
蔡韜激動地說：“這次的藍(lán)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(shù)”，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(xué)突破背后，是一群平均年齡36周歲的優(yōu)秀青年科學(xué)家團(tuán)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(zhuǎn)化利用，中科院天津工業(yè)生物所開始了科技攻關(guān)。這“冷板凳”一坐就是6年。
蔡韜坦言，中途也曾有過任務(wù)進(jìn)行不下去、想要放棄的時刻。與歷經(jīng)數(shù)十億年進(jìn)化的自然途徑相比，人工設(shè)計的途徑在不同催化反應(yīng)以及酶之間，存在兼容性差等一系列的科學(xué)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(tuán)隊為做一件事、一個目標(biāo)、一個任務(wù)，緊緊地聚集在一起，生動詮釋了研究所一直倡導(dǎo)的“細(xì)胞文化”。整個科研項目實行“項目制”管理機(jī)制，每一個成員就如同一個“細(xì)胞組件”，各自功能分工明確，有機(jī)統(tǒng)一，將細(xì)胞應(yīng)有的功能發(fā)揮到極致。
“中國科學(xué)歷史上從來不缺有挑戰(zhàn)精神的科學(xué)家，也從來不缺具有遠(yuǎn)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(rèn)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(yīng)，可能會改變生命過程，甚至也可能改變工業(yè)進(jìn)程；同時也讓我們再次認(rèn)識到，有組織的建制化攻關(guān)機(jī)制和敢為人先、潛心研究、團(tuán)結(jié)協(xié)作的科學(xué)家精神結(jié)合在一起，會迸發(fā)出多么強(qiáng)的創(chuàng)造力。”
“立地”——跨越人工途徑生物進(jìn)化的鴻溝
“人工合成淀粉”的設(shè)想已成現(xiàn)實。如今，人們開始追問，科學(xué)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(yán)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(xué)成果，將為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來重大變革。
日本神戶大學(xué)副校長兼教授、日本理化研究所可持續(xù)資源科學(xué)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(zhuǎn)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(jìn)一步擴(kuò)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(zhuǎn)變成為可能，為二氧化碳原料合成復(fù)雜分子開辟了新的技術(shù)路線。” 蔡韜說。
他告訴記者，可以大膽設(shè)想，當(dāng)“二氧化碳制淀粉”技術(shù)被工業(yè)化運(yùn)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(dāng)二氧化碳制淀粉的生產(chǎn)工業(yè)車間，一旦具有經(jīng)濟(jì)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(xué)解決當(dāng)今社會若干重大挑戰(zhàn)的驚人案例。”瑞典查爾姆斯理工大學(xué)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(guān)研究鋪平道路，這些研究的整合和應(yīng)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(fù)擔(dān)。
曾經(jīng)，農(nóng)田是“碳源”。化肥、農(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(jī)械的運(yùn)用及農(nóng)業(yè)灌溉將耗費(fèi)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(dāng)，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(dá)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(zhuǎn)化為甲醇、甲酸等，不僅可將可再生能源以化學(xué)能的形式轉(zhuǎn)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(tuán)隊作了一個大膽的設(shè)想：未來，可以進(jìn)一步優(yōu)化種植業(yè)結(jié)構(gòu)，減少資源高消耗、化學(xué)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(hù)生態(tài)環(huán)境的功能轉(zhuǎn)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。”蔡韜說。
“有電就有糧”，就這樣走進(jìn)現(xiàn)實。
中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院分子植物科學(xué)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(kuò)展并提升人工光合作用能力前沿研究領(lǐng)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(zhuǎn)變成為可能。同時，也展現(xiàn)了合成生物學(xué)工程科學(xué)研究策略的巨大潛能，為針對重大應(yīng)用目標(biāo)實現(xiàn)中的瓶頸科技問題開展基礎(chǔ)研究的戰(zhàn)略導(dǎo)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。”趙國屏說。
不過，科研團(tuán)隊同時表示，這項成果尚處于實驗室階段，離實際應(yīng)用還有相當(dāng)長的距離。
周琪提醒客觀評價這項科學(xué)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(zhuǎn)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(xí)記者 楊潔 記者 邱晨輝