◎ 科技日報記者 陸成寬

滿足碳水需求必須靠種地嗎,？二氧化碳和氫氣在一起會發(fā)生怎樣的反應？

9月23日,，中國科學院召開本年度首場新聞發(fā)布會,，介紹該院天津工業(yè)生物技術研究所在人工合成淀粉方面取得的重要進展,。該所研究人員提出了一種顛覆性的淀粉制備方法,，不依賴植物光合作用，以二氧化碳,、電解產(chǎn)生的氫氣為原料,，成功生產(chǎn)出淀粉，在國際上首次實現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的從頭合成,，使淀粉生產(chǎn)從傳統(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,，取得原創(chuàng)性突破。相關研究成果9月24日在線發(fā)表于《科學》雜志,。

淀粉是“粥飯”中最主要的碳水化合物,，是面粉、大米,、玉米等糧食的主要成分,，也是重要的工業(yè)原料。

目前,，淀粉主要由綠色植物通過光合作用固定二氧化碳進行合成,。在玉米等農(nóng)作物中，將二氧化碳轉變?yōu)榈矸凵婕?0余步的代謝反應和復雜的生理調控,，太陽能的理論利用效率不超過2%,。農(nóng)作物的種植通常需要數(shù)月的周期，使用大量的土地,、淡水,、肥料等資源。

“長期以來,，科研人員一直在努力改進光合作用這一生命過程,，希望提高二氧化碳的轉化速率和光能的利用效率，最終提升淀粉的生產(chǎn)效率,?！闭撐耐ㄓ嵶髡?、中科院天津工業(yè)生物技術研究所所長馬延和直言。

那么,，除了光合作用外,，還有沒有效率更高的二氧化碳生產(chǎn)淀粉的方式？

為解決這一難題,，中科院天津工業(yè)生物技術研究所研究人員從頭設計了11步主反應的非自然二氧化碳固定與人工合成淀粉新途徑,，在實驗室中首次實現(xiàn)了從二氧化碳到淀粉分子的全合成。

研究團隊采用了一種類似“搭積木”的方式,，聯(lián)合中科院大連化學物理研究所,，利用化學催化劑將高濃度二氧化碳在高密度氫能作用下還原成碳一（C1）化合物，然后通過設計構建碳一聚合新酶,，依據(jù)化學聚糖反應原理將碳一化合物聚合成碳三（C3）化合物,，最后通過生物途徑優(yōu)化，將碳三化合物又聚合成碳六（C6）化合物,，再進一步合成直鏈和支鏈淀粉（Cn化合物）,。

“這一人工途徑的淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍，向設計自然,、超越自然目標的實現(xiàn)邁進了一大步,，為創(chuàng)建新功能的生物系統(tǒng)提供了新的科學基礎?！闭撐牡谝蛔髡?、中科院天津工業(yè)生物技術研究所副研究員蔡韜說。

論文第一作者,、中科院天津工業(yè)生物技術研究所副研究員蔡韜

在充足能量供給的條件下,，按照目前的技術參數(shù)推算，理論上1立方米大小的生物反應器年產(chǎn)淀粉量相當于我國5畝土地玉米種植的平均年產(chǎn)量,。這一成果使淀粉生產(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,，并為二氧化碳原料合成復雜分子開辟了新的技術路線。

馬延和表示,，該成果為從二氧化碳到淀粉生產(chǎn)的工業(yè)車間制造打開了一扇窗,，如果未來該系統(tǒng)過程成本能夠降低到與農(nóng)業(yè)種植相比具有經(jīng)濟可行性，將會節(jié)約90%以上的耕地和淡水資源,，避免農(nóng)藥,、化肥等對環(huán)境的負面影響，提高人類糧食安全水平,，促進碳中和的生物經(jīng)濟發(fā)展,，推動形成可持續(xù)的生物基社會。

同時，中國科學院副院長,、黨組成員,，中國科學院院士周琪在發(fā)布會上強調，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,，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,。

此外,，該成果也得到了國內外領域專家的高度評價?！犊茖W》雜志新聞部執(zhí)行主任梅根·菲蘭認為,，該研究成果將為我們未來通過工業(yè)生物制造生產(chǎn)淀粉這種全球性重要物質提供新的技術路線；中科院院士趙國屏表示,，這是一項具有“頂天立地”重大意義的科研成果,；德國科學院院士、歐洲科學院院士曼弗雷德·雷茲稱,，本項工作將該領域的研究向前推進了一大步,，同時將天津工業(yè)生物技術研究所推向了國際頂尖水平。

科技日報記者獨家專訪

人工合成淀粉論文作者馬延和,、蔡韜

9月24日，《科學》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,，是基礎研究領域的重大突破。

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,、潛心科研攻關的故事，科技日報記者獨家專訪了論文通訊作者,、中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所所長馬延和與論文第一作者,、中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所副研究員蔡韜。

搶占事關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雜,，人工合成淀粉難度更高,。當初，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,？

馬延和：糧食安全是國家安全的重要基礎,，我國一直積極推進農(nóng)業(yè)生物技術進步，從遺傳雜交育種到分子設計育種,，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。

合成生物學被認為是影響未來的顛覆性技術,。模擬自然作物光合作用,，重新設計生命合成代謝過程，設計人工生物系統(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,，科學問題復雜,、技術路線不清、瓶頸問題難測,；但是,，科學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)新貢獻是我們的責任擔當,?！皬亩趸嫉降矸鄣娜斯ず铣伞钡墓I(yè)路徑是事關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家都在開展嗎,？能否介紹一下這個領域的競爭態(tài)勢？

蔡韜：擺脫植物進行二氧化碳固定是科學家多年來的夢想,，二氧化碳人工生物轉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》上發(fā)表的相關論文就不下十篇，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家投身到這一極具挑戰(zhàn)性且具有重大戰(zhàn)略意義的領域,。

曾懷疑過設計路線 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)在離實際應用還有很大差距，但展現(xiàn)了未來產(chǎn)業(yè)化應用的潛力,。

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雜,，但從化學本質上來看,，還是還原、縮合,、重排,、聚合的過程。

我們從重新設計自然代謝途徑開始,，首先解決了途徑計算設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,，將自然淀粉復雜的合成過程簡約至只有11步主要反應,；

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,，跨越了生化反應能量傳遞的鴻溝,，理論能量轉化效率是玉米的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1.0版本構建成功后,，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，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推動“農(nóng)業(yè)工業(yè)化”的一個標志,。6年前項目開始設計時，誰也沒有把握,，我們也做好了長期奮斗的準備,，中國科學院、天津市的項目支持給了我們預研的機會,，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力,，自主協(xié)同各個學科研究組的力量,。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家精神,，培養(yǎng)家國情懷，所領導帶頭做淡泊名利,、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)秀青年科學家寧心靜氣,、以十年磨一劍的精神潛心攻關,。

科技日報記者：這項研究工作被認為是基礎研究領域“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研究,，而是需求導向,、問題導向、目標導向的基礎研究,，開展多學科交叉研究,，是生命科學研究的新范式。此次研究設計,、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、生化反應能量傳遞等科學難題,，體現(xiàn)了學習自然,、模仿自然,、超越自然的理念，具有重要的科學意義和應用價值,。

合成生物技術耦合化學催化技術,，建立了高能量密度、高二氧化碳濃度生物轉化的新技術路線,，雖然從實驗室到工業(yè)化應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變?yōu)槭称?、材料,、化學品等綠色低碳產(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)、高質量發(fā)展具有重大戰(zhàn)略性意義,。