澱粉人工合成記：我國又一個“從0到1”的原創性成果
中青報·中青網見習記者 楊潔 記者 邱晨輝 來源：中國青年報 （ 2021年09月28日 12 版）
很少有人意識到，我們從一睜眼開始就離不開澱粉：刷牙、喝牛奶、穿衣服……作為糧食最主要的成分，也是重要的工業原料，澱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，是否也可以獲得澱粉；如果佔空氣0.031%的二氧化碳能“變成”澱粉，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製造，糧食危機還存在嗎……如果這一系列的“如果”變為現實，那麼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實。前不久，中國科學院天津工業生物技術研究所（以下簡稱天津工業生物所）研究團隊在人工合成澱粉方面取得重大突破性進展，首次在實驗室實現了二氧化碳到澱粉的合成。
北京時間9月24日，這一成果論文在國際學術期刊《科學》雜誌在線發表。這被認為是“從0到1”的原創性成果，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提供了新的科學基礎。
人工合成澱粉——典型的從0到1的原創性成果
澱粉的重要似乎不言而喻，它是食物中最重要的營養成分，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原料。如果生產了近20億噸穀物糧食，其中約12億-14億噸是澱粉。
截至目前，持續了1萬多年的農業種植，仍是生產澱粉的唯一途徑，人類早已習慣了這種既有的“造物”方式。
“自然造物”存在其侷限性：上億年來，植物吸收了二氧化碳，在温度、光照、生長週期等因素的複雜調控下，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”實現澱粉的合成與積累。
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實的需求：傳統的糧食生產要消耗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，養活全球近20%的人口，糧食安全一直是我國面臨的重大挑戰。
科學家早已在思考：能否實現糧食生產環節中，澱粉生產範式的改變？
2018年，美國提出了從二氧化碳出發合成葡萄糖（澱粉組分）的百年挑戰計劃。設計人工生物系統，不依賴植物合成澱粉，足以成為影響世界的重大顛覆性技術，“農業工業化”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佈局。
2015年，天津工業生物所的科學家正式向“二氧化碳到人工合成澱粉”這一國家重大前瞻性、戰略性科技問題發起“進攻”。圍繞澱粉人工合成的核心任務，該所總體研究部聯合10餘個研究組形成“攻關團隊”，試着解析二氧化碳電氫還原等方面的“科學密碼”。
歷經6年，中國科學家終於在實驗室“改寫”了自然進化裏的光合作用過程——將植物澱粉合成的“羧化-還原-重排-聚合”以及需要組織細胞間轉運的複雜流程，簡化為“還原-轉化-聚合反應”過程，實現了直鏈澱粉和支鏈澱粉的可控合成。
根據目前技術參數推測，在能量供給充足的條件下，理論上1噸發酵罐年產澱粉，可相當於5畝土地的玉米澱粉的年平均產量，為澱粉生產的車間製造替代農業種植提供了一種可能。
“這個工作是典型的從0到1的原創性成果。”中國工程院院士陳堅認為，該成果不僅對未來的農業生產，特別是糧食生產具有革命性的影響，而且對全球生物製造產業的發展具有里程碑式的意義。
“澱粉藍”——第一次在試管看到後反覆確認
這項成果論文的第一作者、天津工業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，也是人工合成澱粉的“誕生日”。
那一天，他正在會場參會，手機收到了工作人員發來的照片。照片裏有3個試管，其中兩個試管裏呈現藍色。
“這是什麼？”蔡韜問。
對方回覆：“這就是我們想要做的人工合成澱粉。”
儘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“澱粉藍”。
蔡韜立馬起身回到實驗室，跟工作人員確認每一步、每一個細節的環境，確認是否是假陽性結果。為保證實驗結果的準確性，團隊立馬設計了重複的實驗。
等到第二天，澱粉藍又如期出現在了試管裏。
蔡韜激動地説：“這次的藍色得到了真實確證。”
為了這一天，他們足足等了數個春秋。
6年磨一劍，“二氧化碳變澱粉”的“魔法術”，在天津工業生物所首次實現，這也是人類第一次實現了人工的“光合作用”過程生產澱粉，將自然過程直接簡化為11步。
在這項“頂天立地”的重大科學突破背後，是一羣平均年齡36週歲的優秀青年科學家團隊——組建之初，他們的平均年齡還要減去6歲。
2015年起，圍繞人工合成澱粉與二氧化碳生物轉化利用，中科院天津工業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，“為了實現從‘0到1’的突破，實驗室裏的記錄表堆起來，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，有機統一，將細胞應有的功能發揮到極致。
“中國科學歷史上從來不缺有挑戰精神的科學家，也從來不缺具有遠見卓識的管理者。”中科院副院長周琪提到，此次科研突破最大的意義在於，讓我們充分地認識到：“人，是有可能創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、團結協作的科學家精神結合在一起，會迸發出多麼強的創造力。”
“立地”——跨越人工途徑生物進化的鴻溝
“人工合成澱粉”的設想已成現實。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”？
如果説，在此之前農業種植是生產澱粉的唯一途徑，人們只能依靠春耕夏耘、秋收冬藏的方式獲得糧食澱粉；如果説上億年傳承下來的耕種方式，並沒有改變“四海無閒田，農夫猶餓死”的現狀，全球仍有超過1億人處於嚴重飢餓狀態，糧食安全仍是未來重大挑戰之一。
那麼，天津工業生物所首次實現了澱粉分子的全人工合成的科學成果，將為農業生產帶來重大變革。
日本神户大學副校長兼教授、日本理化研究所可持續資源科學中心副主任近藤昭彥感慨，“不依賴光合作用，從二氧化碳到澱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澱粉生產各種各樣的材料和食物。”
在實驗室裏，從二氧化碳轉化為澱粉的合成速率，是玉米在自然情況下合成與積累澱粉的速率的8.5倍，人工光合作用的能力得到了進一步擴展，“使澱粉生產的傳統農業種植模式，向工業車間生產模式轉變成為可能，為二氧化碳原料合成複雜分子開闢了新的技術路線。” 蔡韜説。
他告訴記者，可以大膽設想，當“二氧化碳制澱粉”技術被工業化運用後，未來澱粉的生產將通過類似“啤酒發酵”的模式，有可能在車間實現按需定製生產，變革傳統農業種植獲取的生產方式。而當二氧化碳制澱粉的生產工業車間，一旦具有經濟可行性，將有可能會節約90%以上的耕地和淡水資源。
“以二氧化碳為原料人工合成澱粉，是利用合成生物學解決當今社會若干重大挑戰的驚人案例。”瑞典查爾姆斯理工大學教授、美國工程院院士、中國工程院外籍院士延斯·尼爾森稱讚，這次重大突破將會為日後更多相關研究鋪平道路，這些研究的整合和應用將有助於解決未來面臨的重大挑戰。
“頂天”——有電就有糧
“立地”——人工合成澱粉將改寫上億年來人類依賴農耕穫得澱粉的歷史；“頂天”——二氧化碳制澱粉將緩解地球温室氣體的負擔。
曾經，農田是“碳源”。化肥、農藥、農膜等農業物料的生產中會排放大量的二氧化碳；耕田農耕農業機械的運用及農業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噸發酵罐與1公頃土地澱粉產量相當，就等同於減少排放500噸碳。如今，我國正在打一場生態“硬仗”，要在2030年前碳排放達到峯值，2060年前實現“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，是一種能同時實現碳循環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，可以進一步優化種植業結構，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、保護生態環境的功能轉變。
“利用可再生資源產生的電能，實現了從温室氣體二氧化碳再利用到糧食核心成分澱粉合成的跨越式發展。”蔡韜説。
“有電就有糧”，就這樣走進現實。
中國科學院院士、中國科學院分子植物科學卓越創新中心研究員趙國屏感慨，這一原創性成果，是擴展並提升人工光合作用能力前沿研究領域的重大突破，使澱粉生產的傳統農業種植模式向工業車間生產模式轉變成為可能。同時，也展現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中的瓶頸科技問題開展基礎研究的戰略導向，提供了成功的範例。
“這是一項具有‘頂天立地’重大意義的科研成果。”趙國屏説。
不過，科研團隊同時表示，這項成果尚處於實驗室階段，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，他説，“後續還需要儘快實現從‘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展面臨重大問題和需求的有效手段和工具。”
2021年09月28日 12 版