六年磨一劍 生產澱粉終於可以不只靠植物

不靠植物造澱粉可能嗎?有戲!9月24日,《科學》線上發表了我國科研人員在澱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了二氧化碳到澱粉的從頭合成,是基礎研究領域的重大突破。

為全面呈現這項研究的“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生物技術研究所副研究員蔡韜。

搶佔事關長遠和全域性的科技戰略制高點

科技日報記者:自然光合作用合成澱粉的過程非常複雜,人工合成澱粉難度更高。當初,為什麼會選擇“從二氧化碳到澱粉的人工合成”這個專案進行科技攻關?

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業生物技術進步,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澱粉作為工業原料、甚至飼料,也是對緩解農業壓力的巨大貢獻。

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,設計人工生物系統不依賴植物種植進行澱粉製造,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,科學問題複雜、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。

我們科技工作者要有強烈的國家使命感,面向國家重大戰略需求,在科技工作中作出重大創新貢獻是我們的責任擔當。“從二氧化碳到澱粉的人工合成”的工業路徑是事關長遠和全域性的科技戰略制高點,是國之重器。

科技日報記者:人工從二氧化碳合成澱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製造葡萄糖的百年挑戰計劃,但是目前澱粉的從頭人工合成還沒有實現突破。我們在國際上首次報道了二氧化碳到澱粉的全合成,這種人工合成澱粉的方式展現了超越自然澱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性且具有重大戰略意義的領域。

曾懷疑過設計路線 但從未想過放棄

科技日報記者:第一次成功合成澱粉是什麼時候?首次看到“澱粉藍”,您有什麼感受?後續又做了哪些工作?

蔡韜:第一次成功合成澱粉是在2018年7月24日。記得當時是在參加專案的進展研討會,看到“澱粉藍”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,排除假陽性出現的可能性,然後就是安排不同的人員重複合成澱粉的工作。

在確定實現碳一化合物到澱粉的人工合成後,其實也可以投稿發文章了,但是我們還是更加看重實用性,就著手提高人工澱粉的合成效率,在後續的兩年多的時間裡將合成效率提高100多倍。人工合成澱粉儘管現在離實際應用還有很大差距,但展現了未來產業化應用的潛力。

科技日報記者:在“從二氧化碳到澱粉的人工合成”專案研究過程中,您取得了哪些重大突破?

蔡韜:植物合成澱粉的機制非常複雜,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,跨越了從虛擬到現實的鴻溝,將自然澱粉複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,澱粉合成速率是玉米的8.5倍;

最後,“從二氧化碳到澱粉的人工合成”克服了化學和生物協同催化的障礙,實現利用高密度的電氫能合成澱粉分子,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:在專案研究過程中,請問您遇到的最大難題是什麼?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,我們為此測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。

特別是在構建澱粉人工合成途徑1.0時,我們用了近三年的時間才實現碳一化合物到澱粉的人工合成,在這之前,從來沒有研究證明設計人工途徑合成澱粉是可行的,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版本構建成功後,我們非常有信心人工合成澱粉是可行的。然而,在專案進行了兩年半的時候,我們曾經懷疑過這條設計的路線,但從來沒有想過放棄人工合成澱粉的工作。

弘揚科學家精神 創新科研管理模式

科技日報記者:在專案實施過程中,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新?

馬延和:澱粉的車間製造是我們提出以生物技術推動“農業工業化”的一個標誌。6年前專案開始設計時,誰也沒有把握,我們也做好了長期奮鬥的準備,中國科學院、天津市的專案支援給了我們預研的機會,可是在人才競爭、大家要“成長”的環境下,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新,成立了專案制的總體研究部,專案組實行預算制,資源由研究所保障,不必申請競爭性經費,擁有科技問題分解與組織的權力,自主協同各個學科研究組的力量。對專案組的考核,簡單、客觀、寬鬆,不計較論文產出,不計較一時勝敗,團隊成員的績效薪酬一般高於同等科技人員。

特別是,我們一直在弘揚科學家精神,培養家國情懷,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、革命理想高於天”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、勇於創新、甘於坐冷板凳的優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”的原創性突破,請問在您看來,這項研究將產生怎樣的影響?有什麼意義?

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正規化。此次研究設計、組裝出一種自然界不存在的澱粉合成代謝途徑,並使其工作效率大幅高於自然生物過程,解決了生物功能從虛擬到現實、人工途徑生物進化、生化反應能量傳遞等科學難題,體現了學習自然、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化應用還面臨眾多的科技挑戰,但孕育了巨大的產業變革新機。對於把二氧化碳資源化轉變為食品、材料、化學品等綠色低碳產業發展將產生重大影響,建立了一個創新賽道的新起點。未來二氧化碳到澱粉的人工合成技術如果具有經濟可行性,工業車間製造澱粉將會實現,與農業種植相比,可以節省超過90%的土地和淡水資源,並且消除化肥和農藥對環境的負面影響,必將帶來一場新的產業變革,對於保障糧食安全、促進社會經濟可持續、高質量發展具有重大戰略性意義。