實驗室里“種”淀粉

吳月輝

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。

“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。”天津工業(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，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能。因此，將光能高效地轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W能并儲存下來成為關(guān)鍵。

“我們想到了光能—電能—化學能的能量轉(zhuǎn)變方式。”天津工業(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)殡娔埽ㄟ^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能。這個過程的能量轉(zhuǎn)化效率超過10%，遠超光合作用的能量利用效率。”

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。

? 在人工合成途徑構(gòu)建上實現(xiàn)跨越式突破

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。”馬延和說。

他介紹，一是跨越了人工途徑進化的鴻溝。克服了不同來源、不同遺傳背景的生物酶之間熱力學與動力學不匹配等瓶頸，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。團隊用計算機可以設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。”天津工業(yè)生物所副研究員蔡韜說。

據(jù)科研團隊介紹，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器年產(chǎn)淀粉量相當于我國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，并為二氧化碳原料合成復雜分子開辟了新的技術(shù)路線。”

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

專家預計，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)境的負面影響，提高人類糧食安全水平，促進碳中和的生物經(jīng)濟發(fā)展。

重大原創(chuàng)性突破的背后，除了科研團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，開展需求導向的科技攻關(guān)，集聚所內(nèi)外創(chuàng)新資源，加強“學科—任務—平臺”整合，實現(xiàn)各方科研力量的有機融合和高效協(xié)同。研究所根據(jù)項目研究需求進行人才布局，組建了當初平均年齡30周歲的優(yōu)秀青年科學家團隊。

傳統(tǒng)科研模式一般以課題組為單元進行，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。”

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，設立總體研究部、研究組和平臺實驗室。”蔡韜說：“總體研究部負責項目矩陣管理;研究組是根據(jù)領(lǐng)域方向和學科布局設置的特色學科組，實現(xiàn)專業(yè)分工;平臺實驗室則負責為項目提供裝備方法支撐。”

“在這種新模式下，要實現(xiàn)哪一步目標、需要哪些人來做哪些任務，我們在整個項目層面都會事先進行具體分析。”蔡韜說。

項目實施過程中，也會對承擔分任務的科研團隊進行嚴格考核。通不過考核的團隊，則由新的團隊替換來重新完成任務。

“整個項目過程中，共有十多個小團隊參與。”蔡韜說，“不同團隊聚在一起，為一件事、一個目標、一個任務共同努力，協(xié)同攻關(guān)，最終實現(xiàn)了原創(chuàng)性重大突破。”