不靠植物造淀粉可能嗎？有戲！9月24日，《科學(xué)》在線發(fā)表了我國(guó)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(xiàng)研究在國(guó)際上實(shí)現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的從頭合成，是基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的重大突破。

　　為全面呈現(xiàn)這項(xiàng)研究的“前世今生”，講述研究人員甘坐冷板凳、潛心科研攻關(guān)的故事，科技日?qǐng)?bào)記者專訪了論文通訊作者、中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所所長(zhǎng)馬延和與論文作者、中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所副研究員蔡韜。

　　搶占事關(guān)長(zhǎng)遠(yuǎn)和全局的科技戰(zhàn)略制高點(diǎn)

　　科技日?qǐng)?bào)記者：自然光合作用合成淀粉的過程非常復(fù)雜，人工合成淀粉難度更高。當(dāng)初，為什么會(huì)選擇“從二氧化碳到淀粉的人工合成”這個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行科技攻關(guān)？

　　馬延和：糧食安全是安全的重要基礎(chǔ)，我國(guó)一直積極推進(jìn)農(nóng)業(yè)生物技術(shù)進(jìn)步，從遺傳雜交育種到分子設(shè)計(jì)育種，我們一直在追趕著國(guó)際科技前沿。

　　有沒有可能“換道超車”？其實(shí)這個(gè)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(duì)緩解農(nóng)業(yè)壓力的巨大貢獻(xiàn)。

　　合成生物學(xué)被認(rèn)為是影響未來的顛覆性技術(shù)。模擬自然作物光合作用，重新設(shè)計(jì)生命合成代謝過程，設(shè)計(jì)人工生物系統(tǒng)不依賴植物種植進(jìn)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(xué)問題復(fù)雜、技術(shù)路線不清、瓶頸問題難測(cè)；但是，科學(xué)研究就需要大膽的實(shí)踐、勇闖無人區(qū)。

　　我們科技工作者要有強(qiáng)烈的使命感，面向重大戰(zhàn)略需求，在科技工作中作出重大創(chuàng)新貢獻(xiàn)是我們的責(zé)任擔(dān)當(dāng)。“從二氧化碳到淀粉的人工合成”的工業(yè)路徑是事關(guān)長(zhǎng)遠(yuǎn)和全局的科技戰(zhàn)略制高點(diǎn)，是國(guó)之重器。

　　科技日?qǐng)?bào)記者：人工從二氧化碳合成淀粉這項(xiàng)研究是各國(guó)科學(xué)家都在開展嗎？能否介紹一下這個(gè)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)？

　　蔡韜：擺脫植物進(jìn)行二氧化碳固定是科學(xué)家多年來的夢(mèng)想，二氧化碳人工生物轉(zhuǎn)化方面是國(guó)際上研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，只要取得一定的突破，都是重磅的成果。

　　過去幾年，僅在《細(xì)胞》《自然》《科學(xué)》上發(fā)表的相關(guān)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(guó)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(jì)劃，但是目前淀粉的從頭人工合成還沒有實(shí)現(xiàn)突破。我們?cè)趪?guó)際上報(bào)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(huì)有更多的科學(xué)家投身到這一極具挑戰(zhàn)性且具有重大戰(zhàn)略意義的領(lǐng)域。

　　曾懷疑過設(shè)計(jì)路線 但從未想過放棄

　　科技日?qǐng)?bào)記者：次成功合成淀粉是什么時(shí)候？看到“淀粉藍(lán)”，您有什么感受？后續(xù)又做了哪些工作？

　　蔡韜：次成功合成淀粉是在2018年7月24日。記得當(dāng)時(shí)是在參加項(xiàng)目的進(jìn)展研討會(huì)，看到“淀粉藍(lán)”的照片的時(shí)候，心情非常激動(dòng)！當(dāng)時(shí)就馬上和工作人員確定了合成的具體條件，排除假陽(yáng)性出現(xiàn)的可能性，然后就是安排不同的人員重復(fù)合成淀粉的工作。（下轉(zhuǎn)第三版）

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　　在確定實(shí)現(xiàn)碳一化合物到淀粉的人工合成后，其實(shí)也可以投稿發(fā)文章了，但是我們還是更加看重實(shí)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(shí)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(shí)際應(yīng)用還有很大差距，但展現(xiàn)了未來產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的潛力。

　　科技日?qǐng)?bào)記者：在“從二氧化碳到淀粉的人工合成”項(xiàng)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(jī)制非常復(fù)雜，但從化學(xué)本質(zhì)上來看，還是還原、縮合、重排、聚合的過程。

　　我們從重新設(shè)計(jì)自然代謝途徑開始，首先解決了途徑計(jì)算設(shè)計(jì)中普遍存在的不適配難題，跨越了從虛擬到現(xiàn)實(shí)的鴻溝，將自然淀粉復(fù)雜的合成過程簡(jiǎn)約至只有11步主要反應(yīng)；

　　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(jìn)化的鴻溝，超越了生物代謝途徑億萬(wàn)年的進(jìn)化效果，淀粉合成速率是玉米的8.5倍；

　　更后，“從二氧化碳到淀粉的人工合成”克服了化學(xué)和生物協(xié)同催化的障礙，實(shí)現(xiàn)利用高密度的電氫能合成淀粉分子，跨越了生化反應(yīng)能量傳遞的鴻溝，理論能量轉(zhuǎn)化效率是玉米的3.5倍。

　　科技日?qǐng)?bào)記者：在項(xiàng)目研究過程中，請(qǐng)問您遇到的更大難題是什么？當(dāng)時(shí)有沒有想過放棄？

　　蔡韜：在研究過程中，我們遇到的更大的難題就是如何讓不同來源的酶元件按照設(shè)計(jì)的路徑在一起有效工作，我們?yōu)榇藴y(cè)試了不同來源的酶元件，設(shè)計(jì)、改造了多個(gè)酶基因，做了上百種不同的組合測(cè)試。

　　特別是在構(gòu)建淀粉人工合成途徑1.0時(shí)，我們用了近三年的時(shí)間才實(shí)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(shè)計(jì)人工途徑合成淀粉是可行的，在成功之前，我們更常問自己的問題就是這條路真的可行嗎？

　　當(dāng)1.0版本構(gòu)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(xiàng)目進(jìn)行了兩年半的時(shí)候，我們?cè)?jīng)懷疑過這條設(shè)計(jì)的路線，但從來沒有想過放棄人工合成淀粉的工作。

　　弘揚(yáng)科學(xué)家精神 創(chuàng)新科研管理模式

　　科技日?qǐng)?bào)記者：在項(xiàng)目實(shí)施過程中，為了使科研人員甘坐冷板凳、潛心科技攻關(guān)，請(qǐng)問研究所在科技管理模式上進(jìn)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(shù)推動(dòng)“農(nóng)業(yè)工業(yè)化”的一個(gè)標(biāo)志。6年前項(xiàng)目開始設(shè)計(jì)時(shí)，誰(shuí)也沒有把握，我們也做好了長(zhǎng)期奮斗的準(zhǔn)備，中國(guó)科學(xué)院、天津市的項(xiàng)目支持給了我們預(yù)研的機(jī)會(huì)，可是在人才競(jìng)爭(zhēng)、大家要“成長(zhǎng)”的環(huán)境下，組織團(tuán)隊(duì)潛心研究、不問前程確實(shí)很難。

　　研究所積極探索科研管理模式創(chuàng)新，成立了項(xiàng)目制的總體研究部，項(xiàng)目組實(shí)行預(yù)算制，資源由研究所保障，不必申請(qǐng)競(jìng)爭(zhēng)性經(jīng)費(fèi)，擁有科技問題分解與組織的權(quán)力，自主協(xié)同各個(gè)學(xué)科研究組的力量。對(duì)項(xiàng)目組的考核，簡(jiǎn)單、客觀、寬松，不計(jì)較論文產(chǎn)出，不計(jì)較一時(shí)勝敗，團(tuán)隊(duì)成員的績(jī)效薪酬一般高于同等科技人員。

　　特別是，我們一直在弘揚(yáng)科學(xué)家精神，培養(yǎng)家國(guó)情懷，所領(lǐng)導(dǎo)帶頭做淡泊名利、無私奉獻(xiàn)的表率，將“官兵一致同甘苦、革命理想高于天”的長(zhǎng)征精神明確為研究所的文化，逐漸凝聚了一批有家國(guó)情懷、勇于創(chuàng)新、甘于坐冷板凳的青年科學(xué)家寧心靜氣、以十年磨一劍的精神潛心攻關(guān)。

　　科技日?qǐng)?bào)記者：這項(xiàng)研究工作被認(rèn)為是基礎(chǔ)研究領(lǐng)域“從0到1”的原創(chuàng)性突破，請(qǐng)問在您看來，這項(xiàng)研究將產(chǎn)生怎樣的影響？有什么意義？

　　馬延和：這項(xiàng)研究不是自由探索的基礎(chǔ)研究，而是需求導(dǎo)向、問題導(dǎo)向、目標(biāo)導(dǎo)向的基礎(chǔ)研究，開展多學(xué)科交叉研究，是生命科學(xué)研究的新范式。此次研究設(shè)計(jì)、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(shí)、人工途徑生物進(jìn)化、生化反應(yīng)能量傳遞等科學(xué)難題，體現(xiàn)了學(xué)習(xí)自然、模仿自然、超越自然的理念，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

　　合成生物技術(shù)耦合化學(xué)催化技術(shù)，建立了高能量密度、高二氧化碳濃度生物轉(zhuǎn)化的新技術(shù)路線，雖然從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)化應(yīng)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(jī)。對(duì)于把二氧化碳資源化轉(zhuǎn)變?yōu)槭称?、材料、化學(xué)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(gè)創(chuàng)新賽道的新起點(diǎn)。未來二氧化碳到淀粉的人工合成技術(shù)如果具有經(jīng)濟(jì)可行性，工業(yè)車間制造淀粉將會(huì)實(shí)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(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，必將帶來一場(chǎng)新的產(chǎn)業(yè)變革，對(duì)于保障糧食安全、促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展具有重大戰(zhàn)略性意義。