實驗室里“種”淀粉

糧食不需要土地種植，可以在生產(chǎn)車間中制造出來。如今，這個看似天方夜譚的想象正在成為可能。

日前，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”）在淀粉人工合成方面取得重大突破性進(jìn)展，在國際上首次在實驗室實現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的從頭合成。該成果于北京時間9月24日在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。

“這也意味著，我們所需要的淀粉，今后可以將二氧化碳作為原料，通過類似釀造啤酒的過程，在生產(chǎn)車間中制造出來?！碧旖蚬I(yè)生物所所長馬延和說。

將二氧化碳還原生成甲醇，再轉(zhuǎn)化為淀粉

淀粉是人類糧食的最主要成分，同時也是重要的工業(yè)原料。目前淀粉主要由農(nóng)作物通過光合作用，將太陽光能、二氧化碳和水轉(zhuǎn)化而成。

長期以來，科研人員一直在努力改進(jìn)光合作用這一生命過程，希望提高二氧化碳和光能的利用效率，最終提升淀粉的生產(chǎn)效率。

這次，天津工業(yè)生物所的科研人員就成功創(chuàng)制了一條利用二氧化碳和電解產(chǎn)生的氫氣合成淀粉的人工路線。這條路線涉及11步核心生化反應(yīng)，淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。

從能量角度看，光合作用的本質(zhì)是將太陽光能轉(zhuǎn)化為淀粉中儲存的化學(xué)能。因此，將光能高效地轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能并儲存下來成為關(guān)鍵。

“我們想到了光能—電能—化學(xué)能的能量轉(zhuǎn)變方式?！碧旖蚬I(yè)生物所副所長王欽宏說，“首先，光伏發(fā)電將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，通過光伏電水解產(chǎn)生氫氣;然后，通過催化劑利用氫氣將二氧化碳還原生成甲醇，將電能轉(zhuǎn)化為甲醇中儲存的化學(xué)能。這個過程的能量轉(zhuǎn)化效率超過10%，遠(yuǎn)超光合作用的能量利用效率?！?/p>

自然界中并不存在甲醇合成淀粉的生命過程。王欽宏說：“要想人工實現(xiàn)這個過程，關(guān)鍵是要制造出自然界中原本不存在的酶催化劑。”

科研人員挖掘和改造了來自動物、植物、微生物等31個不同物種的62個生物酶催化劑，最終優(yōu)中選優(yōu)，使用10個酶逐步將甲醇轉(zhuǎn)化為淀粉。這種路徑不僅能合成易消化的支鏈淀粉，還能合成消化慢、升糖慢的直鏈淀粉。

“也許在不久的將來，不需要種地，也能夠滿足我們對碳水化合物的需要。”王欽宏說。

在人工合成途徑構(gòu)建上實現(xiàn)跨越式突破

不依賴植物光合作用、人工合成碳水化合物，一直是世界各國科學(xué)家的夢想。此前，華人科學(xué)家楊培東曾帶領(lǐng)團(tuán)隊利用聚糖反應(yīng)成功將二氧化碳轉(zhuǎn)化為多種單糖混合物。

“但是，他們還尚未實現(xiàn)復(fù)雜碳水化合物的人工定向合成。”天津工業(yè)生物所副研究員蔡韜說，“也就是說，他們的路線方法合成的是多種簡單糖類化合物的混合物，還很難定向到其中的一種?！?/p>

專家介紹，淀粉高效人工合成的挑戰(zhàn)主要來自低密度太陽能到高密度電能和氫能，低濃度二氧化碳到高濃度二氧化碳，以及復(fù)雜合成途徑到簡單合成途徑3個方面。此前，在眾多科研人員的努力下，前兩個問題已基本得到了解決。

“這次，我們主要在人工合成途徑構(gòu)建方面實現(xiàn)了跨越式突破?！瘪R延和說。

他介紹，一是跨越了人工途徑進(jìn)化的鴻溝?？朔瞬煌瑏碓础⒉煌z傳背景的生物酶之間熱力學(xué)與動力學(xué)不匹配等瓶頸，二氧化碳到淀粉的碳轉(zhuǎn)化速率和效率顯著提升。二是跨越了從虛擬到現(xiàn)實的鴻溝。團(tuán)隊用計算機(jī)可以設(shè)計出很多條合成途徑，通過各種模塊的組裝和適配，最終篩選出了符合條件的路徑，實現(xiàn)了人工淀粉合成。

“經(jīng)過分析鑒定，我們合成的淀粉樣品無論成分還是理化性質(zhì)，都和自然生產(chǎn)的淀粉一模一樣?！辈添w說。

據(jù)科研團(tuán)隊介紹，在充足能量供給的條件下，按照目前的技術(shù)參數(shù)推算，理論上1立方米大小的生物反應(yīng)器年產(chǎn)淀粉量相當(dāng)于我國5畝土地玉米種植的平均年產(chǎn)量。

馬延和說：“這一成果使淀粉生產(chǎn)的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植模式向工業(yè)車間生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變成為可能，為以二氧化碳為原料合成復(fù)雜分子開辟了新的技術(shù)路線。”

創(chuàng)新科研組織模式，讓不同專長的團(tuán)隊協(xié)同攻關(guān)

專家預(yù)計，如果未來該系統(tǒng)過程成本能夠降低到可與農(nóng)業(yè)種植相比的經(jīng)濟(jì)可行性，將可能會節(jié)約90%以上的耕地和淡水資源，避免農(nóng)藥、化肥等對環(huán)境的負(fù)面影響，提高人類糧食安全水平，促進(jìn)碳中和的生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

重大原創(chuàng)性突破的背后，除了科研團(tuán)隊多年的努力和堅持之外，科研組織模式的創(chuàng)新功不可沒。

天津工業(yè)生物所自2015年起，聚焦人工合成淀粉與二氧化碳生物轉(zhuǎn)化利用，開展需求導(dǎo)向的科技攻關(guān)，集聚所內(nèi)外創(chuàng)新資源，加強(qiáng)“學(xué)科—任務(wù)—平臺”整合，實現(xiàn)各方科研力量的有機(jī)融合和高效協(xié)同。研究所根據(jù)項目研究需求進(jìn)行人才布局，組建了當(dāng)初平均年齡30周歲的優(yōu)秀青年科學(xué)家團(tuán)隊。

傳統(tǒng)科研模式一般以課題組為單元進(jìn)行，優(yōu)勢是能夠集中在一個領(lǐng)域方向，但不是所有的研究項目都適合這樣的模式。

馬延和說：“比如，我們這個項目是一個多領(lǐng)域多方向交叉的工作，這就需要將具備不同專長的人和團(tuán)隊組織起來，協(xié)同合作才能夠完成，傳統(tǒng)科研模式顯然不太適合?！?/p>

根據(jù)項目特點，研究所創(chuàng)立了新的科研組織模式，即三維管理模式。

“三維管理模式，具體來說就是所里統(tǒng)一撥付經(jīng)費，設(shè)立總體研究部、研究組和平臺實驗室?！辈添w說，“總體研究部負(fù)責(zé)項目矩陣管理;研究組是根據(jù)領(lǐng)域方向和學(xué)科布局設(shè)置的特色學(xué)科組，實現(xiàn)專業(yè)分工;平臺實驗室則負(fù)責(zé)為項目提供裝備方法支撐?！?/p>

“在這種新模式下，要實現(xiàn)哪一步目標(biāo)、需要哪些人來做哪些任務(wù)，我們在整個項目層面都會事先進(jìn)行具體分析。”蔡韜說，“比如，途徑設(shè)計就是由所里生物設(shè)計中心科技組來負(fù)責(zé)，總體研究部通過任務(wù)分解，將相關(guān)研究任務(wù)定向委托給他們。簡單來說，這個模式更容易實現(xiàn)專業(yè)的人做專業(yè)的事，全預(yù)算的方式也能夠保證團(tuán)隊一直穩(wěn)定地做這一件事?！?/p>

項目實施過程中，也會對承擔(dān)分任務(wù)的科研團(tuán)隊進(jìn)行嚴(yán)格考核。通不過考核的團(tuán)隊，則由新的團(tuán)隊替換來重新完成任務(wù)。

“整個項目過程中，共有十多個小團(tuán)隊參與?！辈添w說，“不同團(tuán)隊聚在一起，為一件事、一個目標(biāo)、一個任務(wù)共同努力，協(xié)同攻關(guān)，最終實現(xiàn)了原創(chuàng)性重大突破?！?/p>