首頁——正文 分享
淀粉人工合成記:又一個“從0到1”的原創(chuàng)性成果
2021年09月28日 09:21 來源:中國青年報

  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濟的獲取方式?

  早在6年前,中國科學家已產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1萬多年的農業(yè)種植,仍是生產淀粉的唯一途徑,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控下,要經過約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)糧食生產環(huán)節(jié)中,淀粉生產范式的改變?

  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)酵罐年產淀粉,可相當于5畝土地的玉米淀粉的年平均產量,為淀粉生產的車間制造替代農業(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為,該成果不僅對未來的農業(yè)生產,特別是糧食生產具有革命性的影響,而且對全球生物制造產業(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!敝锌圃焊痹洪L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,在此之前農業(yè)種植是生產淀粉的唯一途徑,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,將為農業(yè)生產帶來重大變革。

  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,“使淀粉生產的傳統(tǒng)農業(yè)種植模式,向工業(yè)車間生產模式轉變成為可能,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,變革傳統(tǒng)農業(yè)種植獲取的生產方式。而當二氧化碳制淀粉的生產工業(yè)車間,一旦具有經濟可行性,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,農田是“碳源”。化肥、農藥、農膜等農業(yè)物料的生產中會排放大量的二氧化碳;耕田農耕農業(yè)機械的運用及農業(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、化學品投入大的農作物種植,由單一農產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,使淀粉生產的傳統(tǒng)農業(yè)種植模式向工業(yè)車間生產模式轉變成為可能。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·中青網見習記者 楊潔 記者 邱晨輝 

編輯:陳少婷