人工合成淀粉，技术造物新突破（硬核科技背后的创新故事）

2024-08-06

<article><section data-type=“rtext”><img data-alt=“人工合成淀粉样品。崔新耀摄（人民视觉）” src="//img.huanqiucdn.cn/dp/api/files/imageDir/0cb2fe2b596ed3738c48eaecb689fc63.jpg?imageView2/2/w/750" />核心阅读 当今世界面临气候变化、粮食安全、能源资源短缺等挑战，如何把二氧化碳转化成对人类有意义且有市场价值的物质？人工合成淀粉项目便是其中一个尝试。中国科学院天津工业生物技术研究所于2018年实现项目突破，之后不断进行技术迭代升级。如今，人工淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍，并可根据需要实现不同类型淀粉的定向可控合成。 魂牵梦绕的蓝色，出现了！ 天津空港经济区，中国科学院天津工业生物技术研究所（以下简称“天津工业生物所”）内，研发人员乔婧正在重复每日的实验流程。当一滴滴碘液被加入试管，乔婧不由得愣住了：试剂变成了期待已久的颜色，“蓝色虽然很淡，但这说明淀粉出现了！”回忆2018年的情景，乔婧依然激动。 同样激动的还有天津工业生物所人工合成淀粉项目经理蔡韬。他一度不敢确信，从会议室一路奔回实验室，设计了重复实验。第二天，“淀粉蓝”如期出现，“太好了！”蔡韬悬着的心放了下来，笑容洋溢在脸上，身后的同事跟着鼓掌欢呼。 2021年，人工合成淀粉团队在国际刊物《科学》杂志上发表了结合人工光合反应和生物酶催化反应构筑了从水和二氧化碳合成淀粉的新体系。“这是一项里程碑式的突破，将在下一代生物制造和农业生产中带来变革性影响。”审稿专家如此评价。 人工合成淀粉项目的由来，源于一次高铁上的思考。“当今世界面临气候变化、粮食安全、能源资源短缺等挑战，如何把二氧化碳转化成对人类有意义且有市场价值的物质？”在出差回天津的高铁上，这个念头突然出现在天津工业生物所时任所长马延和的脑海中。经过所里认真研判，人工合成淀粉项目在2015年正式提出。 接到攻关任务邀请时，蔡韬既兴奋又担忧，人工合成淀粉，理论上来说可以实现，但此前没有成功案例，“我们想挑战一下别人没做成的事”。 在自然界，玉米、小麦、土豆等农作物通过光合作用将太阳光能、二氧化碳和水转化成淀粉。但这个自然过程需要大量的土地和淡水资源，且受天气影响很大。 能不能模拟自然界淀粉的合成过程，通过技术手段实现人工合成淀粉？ “我们最初的思路是利用可再生能源分解水产生电子或氢，然后利用电子或氢将二氧化碳还原为甲酸、甲醇等简单化合物，进一步通过酶催化简单化合物聚合生成淀粉。”蔡韬说，人工合成淀粉，是一场寻找“捷径”的实验。 在农作物中，淀粉的合成大约需要60步代谢反应。如果要进行工业化生产，就必须简化步骤。蔡韬和团队与所内擅长生物设计的团队合作，从6568个生化反应中进行系统挖掘和筛选，分别从甲酸或甲醇出发，设计了最短的人工淀粉合成路径。理论上，二氧化碳仅通过9个主反应就能合成淀粉。“步数越少，问题就越少。”蔡韬说。 实验一做就是3年，光是实验记录就摞了半人高，团队成员的心情也跟着实验过程不断起伏。 问题出在哪里了？“就像河水断流，要找出是上游堵塞还是河道分叉，弄清症结才能解决问题。”蔡韬说，实验最突出的问题是“酶”。淀粉合成过程中多数反应都需要酶，自然界中的反应路径通过长期自然选择进化而成，各个酶都能够适配协作，但人工设计的反应路径却不同。 “同一个酶往往能催化多个反应，可能会带来副作用；有时会出现多个酶竞争一个底物，还有的酶会产生多种产物。”为调和酶之间的“矛盾”，蔡韬找到所里专门研究酶的团队，一起对酶进行定向改造或人工设计新酶，来满足淀粉合成人工路径对酶的需要。 讨论、实验、推翻、再讨论、再实验……团队尝试利用甲醇中“氢燃烧”产生的能量驱动产生甲醛的反应，解决反应中的热力学与动力学不匹配的问题，9个主反应也相应被拓展到11个。 科学的积累是漫长的，但突破有时只是一个瞬间。2018年7月24日上午，蔡韬收到团队成员的一张图片。打开后，蔡韬看到了那一抹梦寐以求的“蓝”。 “现在来看，那只是人工合成淀粉1.0版本。”蔡韬说，这几年团队完成了人工合成淀粉技术的迭代升级，不断提高淀粉合成产量，把淀粉的生产强度较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，并可根据需要实现不同类型淀粉的定向可控合成。 在蔡韬看来，科研的最大成功是能够落地应用，帮助增进社会福祉，“接下来，我们将加快让科研成果从实验室走向产业化应用的速度，让技术造物绘就科技惠民新图景。”蔡韬说。 本期统筹：陈世涵 版式设计：蔡华伟</section></article>