人工合成淀粉樣品。
崔新耀攝（人民視覺）
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當今世界面臨氣候變化、糧食安全、能源資源短缺等挑戰(zhàn)，如何把二氧化碳轉化成對人類有意義且有市場價值的物質？人工合成淀粉項目便是其中一個嘗試。中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所于2018年實現(xiàn)項目突破，之后不斷進行技術迭代升級。如今，人工淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍，并可根據(jù)需要實現(xiàn)不同類型淀粉的定向可控合成。
魂牽夢繞的藍色，出現(xiàn)了！
天津空港經(jīng)濟區(qū)，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”）內(nèi)，研發(fā)人員喬婧正在重復每日的實驗流程。當一滴滴碘液被加入試管，喬婧不由得愣住了：試劑變成了期待已久的顏色，“藍色雖然很淡，但這說明淀粉出現(xiàn)了！”回憶2018年的情景，喬婧依然激動。
同樣激動的還有天津工業(yè)生物所人工合成淀粉項目經(jīng)理蔡韜。他一度不敢確信，從會議室一路奔回實驗室，設計了重復實驗。第二天，“淀粉藍”如期出現(xiàn)，“太好了！”蔡韜懸著的心放了下來，笑容洋溢在臉上，身后的同事跟著鼓掌歡呼。
2021年，人工合成淀粉團隊在國際刊物《科學》雜志上發(fā)表了結合人工光合反應和生物酶催化反應構筑了從水和二氧化碳合成淀粉的新體系。“這是一項里程碑式的突破，將在下一代生物制造和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中帶來變革性影響。”審稿專家如此評價。
人工合成淀粉項目的由來，源于一次高鐵上的思考。“當今世界面臨氣候變化、糧食安全、能源資源短缺等挑戰(zhàn)，如何把二氧化碳轉化成對人類有意義且有市場價值的物質？”在出差回天津的高鐵上，這個念頭突然出現(xiàn)在天津工業(yè)生物所時任所長馬延和的腦海中。經(jīng)過所里認真研判，人工合成淀粉項目在2015年正式提出。
接到攻關任務邀請時，蔡韜既興奮又擔憂，人工合成淀粉，理論上來說可以實現(xiàn)，但此前沒有成功案例，“我們想挑戰(zhàn)一下別人沒做成的事”。
在自然界，玉米、小麥、土豆等農(nóng)作物通過光合作用將太陽光能、二氧化碳和水轉化成淀粉。但這個自然過程需要大量的土地和淡水資源，且受天氣影響很大。
能不能模擬自然界淀粉的合成過程，通過技術手段實現(xiàn)人工合成淀粉？
“我們最初的思路是利用可再生能源分解水產(chǎn)生電子或氫，然后利用電子或氫將二氧化碳還原為甲酸、甲醇等簡單化合物，進一步通過酶催化簡單化合物聚合生成淀粉。”蔡韜說，人工合成淀粉，是一場尋找“捷徑”的實驗。
在農(nóng)作物中，淀粉的合成大約需要60步代謝反應。如果要進行工業(yè)化生產(chǎn)，就必須簡化步驟。蔡韜和團隊與所內(nèi)擅長生物設計的團隊合作，從6568個生化反應中進行系統(tǒng)挖掘和篩選，分別從甲酸或甲醇出發(fā)，設計了最短的人工淀粉合成路徑。理論上，二氧化碳僅通過9個主反應就能合成淀粉。“步數(shù)越少，問題就越少。”蔡韜說。
實驗一做就是3年，光是實驗記錄就摞了半人高，團隊成員的心情也跟著實驗過程不斷起伏。
問題出在哪里了？“就像河水斷流，要找出是上游堵塞還是河道分叉，弄清癥結才能解決問題。”蔡韜說，實驗最突出的問題是“酶”。淀粉合成過程中多數(shù)反應都需要酶，自然界中的反應路徑通過長期自然選擇進化而成，各個酶都能夠適配協(xié)作，但人工設計的反應路徑卻不同。
“同一個酶往往能催化多個反應，可能會帶來副作用；有時會出現(xiàn)多個酶競爭一個底物，還有的酶會產(chǎn)生多種產(chǎn)物。”為調和酶之間的“矛盾”，蔡韜找到所里專門研究酶的團隊，一起對酶進行定向改造或人工設計新酶，來滿足淀粉合成人工路徑對酶的需要。
討論、實驗、推翻、再討論、再實驗……團隊嘗試利用甲醇中“氫燃燒”產(chǎn)生的能量驅動產(chǎn)生甲醛的反應，解決反應中的熱力學與動力學不匹配的問題，9個主反應也相應被拓展到11個。
科學的積累是漫長的，但突破有時只是一個瞬間。2018年7月24日上午，蔡韜收到團隊成員的一張圖片。打開后，蔡韜看到了那一抹夢寐以求的“藍”。
“現(xiàn)在來看，那只是人工合成淀粉1.0版本。”蔡韜說，這幾年團隊完成了人工合成淀粉技術的迭代升級，不斷提高淀粉合成產(chǎn)量，把淀粉的生產(chǎn)強度較1.0版本提高了136倍，人工淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍，并可根據(jù)需要實現(xiàn)不同類型淀粉的定向可控合成。
在蔡韜看來，科研的最大成功是能夠落地應用，幫助增進社會福祉，“接下來，我們將加快讓科研成果從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化應用的速度，讓技術造物繪就科技惠民新圖景。”蔡韜說。
本期統(tǒng)籌：陳世涵
版式設計：蔡華偉
《 人民日報 》（ 2024年08月06日 04 版）