從0到1的突破！
——人工合成淀粉的意義與前景
本報記者 沈 慧
設(shè)想一下，不需要種地，也不需要綠色植物，以太陽光、水和二氧化碳為原料，在工廠里就可以像植物一樣源源不斷生產(chǎn)出淀粉。是不是很神奇？而今，這看似遙不可及的一幕，在不久的將來，有望實(shí)現(xiàn)。
近期，中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所傳來喜訊：經(jīng)過6年技術(shù)攻關(guān)，科研團(tuán)隊(duì)在淀粉人工合成方面取得重大突破性進(jìn)展，在國際上首次實(shí)現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的從頭合成。
不依賴植物光合作用，設(shè)計人工生物系統(tǒng)固定二氧化碳，合成淀粉，這一被國際學(xué)術(shù)界認(rèn)為將是影響世界的重大顛覆性技術(shù)，究竟有何厲害之處？其突破，又有何科學(xué)意義和現(xiàn)實(shí)意義？記者就此采訪了論文的作者及相關(guān)專家。
突破瓶頸
中國人偏重碳水飲食，清代美食家袁枚曾在《隨園食單》中這樣寫道，“粥飯本也，余菜末也”，足見國人對碳水的寵愛。這里所說的碳水即碳水化合物，由碳、氫、氧組成，是人類生存必不可少的元素。而淀粉就是“粥飯”中最主要的碳水化合物，它是面粉、大米、玉米等糧食的主要成分，是養(yǎng)活全球人口最重要的食物原料，同時也是重要的工業(yè)原料。
多少年來，農(nóng)作物通過光合作用，將水、二氧化碳等無機(jī)化合物合成可作為動物飼料和人類食物的糖類乃至淀粉等碳水化合物，是地球上最重要的生物化學(xué)反應(yīng)過程。但這是效率最高的淀粉生產(chǎn)方式嗎？答案是否定的。
根據(jù)論文通訊作者、天津工業(yè)生物所所長馬延和提供的數(shù)據(jù)，在玉米等農(nóng)作物中，將二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)榈矸?，涉及約60步代謝反應(yīng)以及復(fù)雜的生理調(diào)控，太陽能的利用效率不足2%。“植物經(jīng)過億萬年進(jìn)化，適應(yīng)了自然環(huán)境，其固有屬性制約了淀粉高效合成?！瘪R延和稱。
有沒有一種辦法能夠擺脫植物來合成淀粉？自合成生物學(xué)誕生以來，人們就開始嘗試人工構(gòu)建非自然途徑，實(shí)現(xiàn)二氧化碳到淀粉的轉(zhuǎn)化，以突破植物媒介光合作用的瓶頸。但是，因?yàn)榧夹g(shù)路線不清、瓶頸問題難測，這條科研之路存在很多不確定性。
馬延和等人還是決定勇闖“無人區(qū)”。2015年起，天津工業(yè)生物所在中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目和天津市財政專項(xiàng)的支持下，立項(xiàng)開展二氧化碳合成淀粉的研究。
6年鏖戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)終于如愿以償。論文第一作者、天津工業(yè)生物所副研究員蔡韜興奮地說：“我們拿合成淀粉與自然界中的淀粉比較，得到核磁結(jié)果是一模一樣的，可以說，合成淀粉實(shí)際上與自然的淀粉是沒有區(qū)別的?！?/p>
這意味著什么？數(shù)據(jù)顯示，2019年，全世界有近7.5億人面臨重度糧食不安全，占世界總?cè)丝诮种?。“即使是替代一部分糧食淀粉作為工業(yè)原料甚至飼料，也是對緩解農(nóng)業(yè)壓力的巨大貢獻(xiàn)?！瘪R延和表示。
技術(shù)路徑
用二氧化碳人工合成淀粉，這項(xiàng)顛覆性技術(shù)是如何煉成的？馬延和告訴記者，從能量角度看，光合作用的本質(zhì)是將太陽光能轉(zhuǎn)化為儲藏在淀粉中的化學(xué)能。
可如何更高效地將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能？模擬和借鑒自然過程，構(gòu)筑新的人工光合途徑，科研人員想到了光能—電能—化學(xué)能的能量轉(zhuǎn)變方式，首先通過光伏發(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，該過程的能量轉(zhuǎn)化效率超過10%，遠(yuǎn)超光合作用的能量利用效率。
甲醇儲存了來自太陽能的能量，但是自然界中并不存在甲醇合成淀粉的生命過程。于是，科研人員又利用合成生物學(xué)的思想，從海量的生物化學(xué)反應(yīng)數(shù)據(jù)中設(shè)計出了一條僅包含10步主反應(yīng)的甲醇到淀粉的人工路線ASAP。
為將設(shè)計藍(lán)圖變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，科研人員還挖掘與改造了來自動物、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個酶逐步將一碳的甲醇轉(zhuǎn)化為三碳的二羥基丙酮，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為六碳的磷酸葡萄糖，最終合成了直鏈和支鏈淀粉。
“這是實(shí)現(xiàn)人工光合作用合成淀粉的一種過程。”馬延和說，從科學(xué)突破角度看，這一人工途徑的淀粉合成，向設(shè)計自然、超越自然目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)邁進(jìn)了一大步，為創(chuàng)建新功能的生物系統(tǒng)提供了新的科學(xué)基礎(chǔ)。
從技術(shù)創(chuàng)新角度看，通過發(fā)展高效的人工催化劑和生物酶，研究團(tuán)隊(duì)從6568個生化反應(yīng)中設(shè)計形成固碳與人工合成淀粉新途徑。按照20%的光電轉(zhuǎn)化效率計算，這條化學(xué)、生物雜合的人工合成淀粉新系統(tǒng)，理論能量轉(zhuǎn)化效率可達(dá)7%，其淀粉合成速率比自然光合作用提高了3.5倍。
這意味著什么？蔡韜解釋，按照目前技術(shù)參數(shù)推算，在能量供給充足的條件下，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5畝土地玉米種植的淀粉產(chǎn)量(按我國玉米淀粉平均畝產(chǎn)量計算)，“這一成果為從二氧化碳到淀粉生產(chǎn)的工業(yè)車間制造打開了一扇窗”。
應(yīng)用前景
在江南大學(xué)原校長、中國工程院院士陳堅看來，食品生產(chǎn)大約占據(jù)全球40%的耕地，產(chǎn)生了25%的溫室氣體，作為最主要的糧食成分之一，淀粉的可持續(xù)供應(yīng)是人類未來面臨的重要挑戰(zhàn)。這項(xiàng)研究成果將化學(xué)與生物的方法相結(jié)合，采用蛋白質(zhì)工程和合成生物學(xué)等一系列新技術(shù)，從二氧化碳直接合成淀粉，完全顛覆了傳統(tǒng)的淀粉生產(chǎn)方式。這項(xiàng)研究工作是典型的從“0到1”的原創(chuàng)性成果，不僅對未來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，特別是糧食生產(chǎn)具有革命性的影響，而且對全球生物制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有里程碑式的意義。
馬延和表示，如果未來該系統(tǒng)過程成本與農(nóng)業(yè)種植相比具有經(jīng)濟(jì)可行性，并實(shí)際應(yīng)用，將有可能節(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。
不過，他同時強(qiáng)調(diào)，目前該成果尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，離實(shí)際應(yīng)用還有相當(dāng)長的距離，且面臨諸多挑戰(zhàn)。
“后續(xù)，研究團(tuán)隊(duì)還需要盡快實(shí)現(xiàn)從‘0到1’的概念突破到‘1到10’和‘10到100’的轉(zhuǎn)換，讓這項(xiàng)技術(shù)最終成為解決人類發(fā)展問題的有效手段和工具?！敝锌圃焊痹洪L周琪表示，中科院將集成相關(guān)科技力量，一如既往地支持該項(xiàng)研究深入推進(jìn)。
“當(dāng)今世界面臨全球氣候變化、糧食安全、能源資源短缺、生態(tài)環(huán)境污染等一系列重大挑戰(zhàn)，科技創(chuàng)新已成為重塑全球格局、創(chuàng)造人類美好未來的關(guān)鍵因素。二氧化碳的轉(zhuǎn)化利用與人工合成淀粉，正是應(yīng)對挑戰(zhàn)的重大科技問題之一?！敝茜髡f。