人工合成淀粉，技術(shù)造物新突破

當(dāng)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(zhuǎn)化成對人類有意義且有市場價值的物質(zhì)？人工合成淀粉項(xiàng)目便是其中一個嘗試。中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所于2018年實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目突破，之后不斷進(jìn)行技術(shù)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(shí)現(xiàn)不同類型淀粉的定向可控合成。

魂?duì)繅衾@的藍(lán)色，出現(xiàn)了！

天津空港經(jīng)濟(jì)區(qū)，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)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(fù)每日的實(shí)驗(yàn)流程。當(dāng)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(lán)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(xiàng)目經(jīng)理蔡韜。他一度不敢確信，從會議室一路奔回實(shí)驗(yàn)室，設(shè)計(jì)了重復(fù)實(shí)驗(yàn)。第二天，“淀粉藍(lán)”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(tuán)隊(duì)在國際刊物《科學(xué)》雜志上發(fā)表了結(jié)合人工光合反應(yīng)和生物酶催化反應(yīng)構(gòu)筑了從水和二氧化碳合成淀粉的新體系?！斑@是一項(xiàng)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?！睂徃鍖＜胰绱嗽u價。

人工合成淀粉項(xiàng)目的由來，源于一次高鐵上的思考。“當(dāng)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(zhuǎn)化成對人類有意義且有市場價值的物質(zhì)？”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(rèn)真研判，人工合成淀粉項(xiàng)目在2015年正式提出。

接到攻關(guān)任務(wù)邀請時，蔡韜既興奮又擔(dān)憂，人工合成淀粉，理論上來說可以實(shí)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(zhuǎn)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(shù)手段實(shí)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(jìn)一步通過酶催化簡單化合物聚合生成淀粉?！辈添w說，人工合成淀粉，是一場尋找“捷徑”的實(shí)驗(yàn)。

在農(nóng)作物中，淀粉的合成大約需要60步代謝反應(yīng)。如果要進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，就必須簡化步驟。蔡韜和團(tuán)隊(duì)與所內(nèi)擅長生物設(shè)計(jì)的團(tuán)隊(duì)合作，從6568個生化反應(yīng)中進(jìn)行系統(tǒng)挖掘和篩選，分別從甲酸或甲醇出發(fā)，設(shè)計(jì)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(yīng)就能合成淀粉?！安綌?shù)越少，問題就越少?！辈添w說。

實(shí)驗(yàn)一做就是3年，光是實(shí)驗(yàn)記錄就摞了半人高，團(tuán)隊(duì)成員的心情也跟著實(shí)驗(yàn)過程不斷起伏。

問題出在哪里了？“就像河水?dāng)嗔鳎页鍪巧嫌味氯€是河道分叉，弄清癥結(jié)才能解決問題?！辈添w說，實(shí)驗(yàn)最突出的問題是“酶”。淀粉合成過程中多數(shù)反應(yīng)都需要酶，自然界中的反應(yīng)路徑通過長期自然選擇進(jìn)化而成，各個酶都能夠適配協(xié)作，但人工設(shè)計(jì)的反應(yīng)路徑卻不同。

“同一個酶往往能催化多個反應(yīng)，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(diào)和酶之間的“矛盾”，蔡韜找到所里專門研究酶的團(tuán)隊(duì)，一起對酶進(jìn)行定向改造或人工設(shè)計(jì)新酶，來滿足淀粉合成人工路徑對酶的需要。

討論、實(shí)驗(yàn)、推翻、再討論、再實(shí)驗(yàn)……團(tuán)隊(duì)嘗試?yán)眉状贾小皻淙紵碑a(chǎn)生的能量驅(qū)動產(chǎn)生甲醛的反應(yīng)，解決反應(yīng)中的熱力學(xué)與動力學(xué)不匹配的問題，9個主反應(yīng)也相應(yīng)被拓展到11個。

科學(xué)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(tuán)隊(duì)成員的一張圖片。打開后，蔡韜看到了那一抹夢寐以求的“藍(lán)”。

“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(tuán)隊(duì)完成了人工合成淀粉技術(shù)的迭代升級，不斷提高淀粉合成產(chǎn)量，把淀粉的生產(chǎn)強(qiáng)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(shí)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(yīng)用，幫助增進(jìn)社會福祉，“接下來，我們將加快讓科研成果從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的速度，讓技術(shù)造物繪就科技惠民新圖景。”蔡韜說。