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大家都知道，淀粉是高分子碳水化合物，是由葡萄糖分子聚合而成的多糖。我們生活中已經(jīng)離不開淀粉，它是食品制作中常用的原料，也是重要的工業(yè)原料。它的來源主要是來自于農(nóng)業(yè)，許多植物將葡萄糖從光合作用轉(zhuǎn)化為聚合物，形成不溶性淀粉顆粒，是根和種子中長(zhǎng)期儲(chǔ)存能量的理想選擇。

然而你聽說過利用CO₂為原料，用人工合成淀粉嗎？

中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所所長(zhǎng)馬延和團(tuán)隊(duì)在Science上發(fā)表了顛覆性成果，在全球范圍內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的從頭合成，是基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的重大突破。

作者報(bào)告了在無細(xì)胞系統(tǒng)中從二氧化碳和氫氣合成淀粉的化學(xué)-生化混合途徑。人工淀粉合成代謝途徑（ASAP）由11種核心反應(yīng)組成，通過計(jì)算路徑設(shè)計(jì)起草，通過模塊化組裝和取代建立，并通過三種瓶頸相關(guān)酶的蛋白質(zhì)工程進(jìn)行優(yōu)化。其中二氧化碳通過無機(jī)催化劑還原為甲醇，然后由酶首先轉(zhuǎn)化為三和六個(gè)碳糖單位，然后轉(zhuǎn)化為聚合物淀粉。在一個(gè)具有時(shí)空隔離的化學(xué)酶系統(tǒng)中，在氫氣的驅(qū)動(dòng)下，ASAP以每毫克催化劑每分鐘消耗22 nmol的CO₂來合成淀粉，比玉米中的淀粉合成速度高出約8.5倍。

這種人造淀粉合成代謝途徑依賴于來自許多不同來源生物的工程重組酶，可以調(diào)諧以與其他合成碳固定系統(tǒng)相比的優(yōu)異速度和效率生產(chǎn)淀粉或淀粉酶，甚至取決于使用的指標(biāo)，甚至可以用于田間作物，這種方法為未來從二氧化碳合成淀粉開辟了道路。

圖文詳情

圖1. 工淀粉合成途徑的設(shè)計(jì)和模塊組裝

圖2. 解決人工淀粉合成代謝途徑（ASAP）主要瓶頸

圖3. 利用CO₂經(jīng)ASAP合成淀粉

以下是科技日?qǐng)?bào)記者獨(dú)家對(duì)所長(zhǎng)馬延和與論文第一作者副研究員蔡韜的專訪

科技日?qǐng)?bào)記者：自然光合作用合成淀粉的過程非常復(fù)雜，人工合成淀粉難度更高。當(dāng)初，為什么會(huì)選擇“從二氧化碳到淀粉的人工合成”這個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行科技攻關(guān)？

馬延和：糧食安全是國家安全的重要基礎(chǔ)，我國一直積極推進(jìn)農(nóng)業(yè)生物技術(shù)進(jìn)步，從遺傳雜交育種到分子設(shè)計(jì)育種，我們一直在追趕著國際科技前沿。

有沒有可能“換道超車”？其實(shí)這個(gè)想法由來已久，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(duì)緩解農(nóng)業(yè)壓力的巨大貢獻(xiàn)。

合成生物學(xué)被認(rèn)為是影響未來的顛覆性技術(shù)。模擬自然作物光合作用，重新設(shè)計(jì)生命合成代謝過程，設(shè)計(jì)人工生物系統(tǒng)不依賴植物種植進(jìn)行淀粉制造，潛藏著驚人的變革前景。的確，這條路線存在很多的不確定性，科學(xué)問題復(fù)雜、技術(shù)路線不清、瓶頸問題難測(cè)；但是，科學(xué)研究就需要大膽的實(shí)踐、勇闖無人區(qū)。

我們科技工作者要有強(qiáng)烈的國家使命感，面向國家重大戰(zhàn)略需求，在科技工作中作出重大創(chuàng)新貢獻(xiàn)是我們的責(zé)任擔(dān)當(dāng)?！皬亩趸嫉降矸鄣娜斯ず铣伞钡墓I(yè)路徑是事關(guān)長(zhǎng)遠(yuǎn)和全局的科技戰(zhàn)略制高點(diǎn)，是國之重器。

科技日?qǐng)?bào)記者：人工從二氧化碳合成淀粉這項(xiàng)研究是各國科學(xué)家都在開展嗎？能否介紹一下這個(gè)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)？

蔡韜：擺脫植物進(jìn)行二氧化碳固定是科學(xué)家多年來的夢(mèng)想，二氧化碳人工生物轉(zhuǎn)化方面是國際上研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，只要取得一定的突破，都是重磅的成果。

過去幾年，僅在《細(xì)胞》《自然》《科學(xué)》上發(fā)表的相關(guān)論文就不下十篇，主要集中在二氧化碳固定、人工光合作用等研究方向。2018年，美國國家航空航天局（NASA）更是提出了二氧化碳制造葡萄糖的百年挑戰(zhàn)計(jì)劃，但是目前淀粉的從頭人工合成還沒有實(shí)現(xiàn)突破。我們?cè)趪H上首次報(bào)道了二氧化碳到淀粉的全合成，這種人工合成淀粉的方式展現(xiàn)了超越自然淀粉合成方式的極大潛力，相信會(huì)有更多的科學(xué)家投身到這一極具挑戰(zhàn)性且具有重大戰(zhàn)略意義的領(lǐng)域。

曾懷疑過設(shè)計(jì)路線但從未想過放棄

科技日?qǐng)?bào)記者：第一次成功合成淀粉是什么時(shí)候？首次看到“淀粉藍(lán)”，您有什么感受？后續(xù)又做了哪些工作？

蔡韜：第一次成功合成淀粉是在2018年7月24日。記得當(dāng)時(shí)是在參加項(xiàng)目的進(jìn)展研討會(huì)，看到“淀粉藍(lán)”的照片的時(shí)候，心情非常激動(dòng)！當(dāng)時(shí)就馬上和工作人員確定了合成的具體條件，排除假陽性出現(xiàn)的可能性，然后就是安排不同的人員重復(fù)合成淀粉的工作。

在確定實(shí)現(xiàn)碳一化合物到淀粉的人工合成后，其實(shí)也可以投稿發(fā)文章了，但是我們還是更加看重實(shí)用性，就著手提高人工淀粉的合成效率，在后續(xù)的兩年多的時(shí)間里將合成效率提高100多倍。人工合成淀粉盡管現(xiàn)在離實(shí)際應(yīng)用還有很大差距，但展現(xiàn)了未來產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的潛力。

科技日?qǐng)?bào)記者：在“從二氧化碳到淀粉的人工合成”項(xiàng)目研究過程中，您取得了哪些重大突破？

蔡韜：植物合成淀粉的機(jī)制非常復(fù)雜，但從化學(xué)本質(zhì)上來看，還是還原、縮合、重排、聚合的過程。

我們從重新設(shè)計(jì)自然代謝途徑開始，首先解決了途徑計(jì)算設(shè)計(jì)中普遍存在的不適配難題，跨越了從虛擬到現(xiàn)實(shí)的鴻溝，將自然淀粉復(fù)雜的合成過程簡(jiǎn)約至只有11步主要反應(yīng)；

其次，突破了不同來源、不同遺傳背景的生物酶之間難以匹配的瓶頸，跨越了自然緩慢進(jìn)化的鴻溝，超越了生物代謝途徑億萬年的進(jìn)化效果，淀粉合成速率是玉米的8.5倍；

最后，“從二氧化碳到淀粉的人工合成”克服了化學(xué)和生物協(xié)同催化的障礙，實(shí)現(xiàn)利用高密度的電氫能合成淀粉分子，跨越了生化反應(yīng)能量傳遞的鴻溝，理論能量轉(zhuǎn)化效率是玉米的3.5倍。

科技日?qǐng)?bào)記者：在項(xiàng)目研究過程中，請(qǐng)問您遇到的最大難題是什么？當(dāng)時(shí)有沒有想過放棄？

蔡韜：在研究過程中，我們遇到的最大的難題就是如何讓不同來源的酶元件按照設(shè)計(jì)的路徑在一起有效工作，我們?yōu)榇藴y(cè)試了不同來源的酶元件，設(shè)計(jì)、改造了多個(gè)酶基因，做了上百種不同的組合測(cè)試。

特別是在構(gòu)建淀粉人工合成途徑1.0時(shí)，我們用了近三年的時(shí)間才實(shí)現(xiàn)碳一化合物到淀粉的人工合成，在這之前，從來沒有研究證明設(shè)計(jì)人工途徑合成淀粉是可行的，在成功之前，我們最常問自己的問題就是這條路真的可行嗎？

當(dāng)1.0版本構(gòu)建成功后，我們非常有信心人工合成淀粉是可行的。然而，在項(xiàng)目進(jìn)行了兩年半的時(shí)候，我們?cè)?jīng)懷疑過這條設(shè)計(jì)的路線，但從來沒有想過放棄人工合成淀粉的工作。

弘揚(yáng)科學(xué)家精神創(chuàng)新科研管理模式

科技日?qǐng)?bào)記者：在項(xiàng)目實(shí)施過程中，為了使科研人員甘坐冷板凳、潛心科技攻關(guān)，請(qǐng)問研究所在科技管理模式上進(jìn)行了哪些創(chuàng)新？

馬延和：淀粉的車間制造是我們提出以生物技術(shù)推動(dòng)“農(nóng)業(yè)工業(yè)化”的一個(gè)標(biāo)志。6年前項(xiàng)目開始設(shè)計(jì)時(shí)，誰也沒有把握，我們也做好了長(zhǎng)期奮斗的準(zhǔn)備，中國科學(xué)院、天津市的項(xiàng)目支持給了我們預(yù)研的機(jī)會(huì)，可是在人才競(jìng)爭(zhēng)、大家要“成長(zhǎng)”的環(huán)境下，組織團(tuán)隊(duì)潛心研究、不問前程確實(shí)很難。

研究所積極探索科研管理模式創(chuàng)新，成立了項(xiàng)目制的總體研究部，項(xiàng)目組實(shí)行預(yù)算制，資源由研究所保障，不必申請(qǐng)競(jìng)爭(zhēng)性經(jīng)費(fèi)，擁有科技問題分解與組織的權(quán)力，自主協(xié)同各個(gè)學(xué)科研究組的力量。對(duì)項(xiàng)目組的考核，簡(jiǎn)單、客觀、寬松，不計(jì)較論文產(chǎn)出，不計(jì)較一時(shí)勝敗，團(tuán)隊(duì)成員的績(jī)效薪酬一般高于同等科技人員。

特別是，我們一直在弘揚(yáng)科學(xué)家精神，培養(yǎng)家國情懷，所領(lǐng)導(dǎo)帶頭做淡泊名利、無私奉獻(xiàn)的表率，將“官兵一致同甘苦、革命理想高于天”的長(zhǎng)征精神明確為研究所的文化，逐漸凝聚了一批有家國情懷、勇于創(chuàng)新、甘于坐冷板凳的優(yōu)秀青年科學(xué)家寧心靜氣、以十年磨一劍的精神潛心攻關(guān)。

科技日?qǐng)?bào)記者：這項(xiàng)研究工作被認(rèn)為是基礎(chǔ)研究領(lǐng)域“從0到1”的原創(chuàng)性突破，請(qǐng)問在您看來，這項(xiàng)研究將產(chǎn)生怎樣的影響？有什么意義？

馬延和：這項(xiàng)研究不是自由探索的基礎(chǔ)研究，而是需求導(dǎo)向、問題導(dǎo)向、目標(biāo)導(dǎo)向的基礎(chǔ)研究，開展多學(xué)科交叉研究，是生命科學(xué)研究的新范式。此次研究設(shè)計(jì)、組裝出一種自然界不存在的淀粉合成代謝途徑，并使其工作效率大幅高于自然生物過程，解決了生物功能從虛擬到現(xiàn)實(shí)、人工途徑生物進(jìn)化、生化反應(yīng)能量傳遞等科學(xué)難題，體現(xiàn)了學(xué)習(xí)自然、模仿自然、超越自然的理念，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

合成生物技術(shù)耦合化學(xué)催化技術(shù)，建立了高能量密度、高二氧化碳濃度生物轉(zhuǎn)化的新技術(shù)路線，雖然從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)化應(yīng)用還面臨眾多的科技挑戰(zhàn)，但孕育了巨大的產(chǎn)業(yè)變革新機(jī)。對(duì)于把二氧化碳資源化轉(zhuǎn)變?yōu)槭称?、材料、化學(xué)品等綠色低碳產(chǎn)業(yè)發(fā)展將產(chǎn)生重大影響，建立了一個(gè)創(chuàng)新賽道的新起點(diǎn)。未來二氧化碳到淀粉的人工合成技術(shù)如果具有經(jīng)濟(jì)可行性，工業(yè)車間制造淀粉將會(huì)實(shí)現(xiàn)，與農(nóng)業(yè)種植相比，可以節(jié)省超過90%的土地和淡水資源，并且消除化肥和農(nóng)藥對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，必將帶來一場(chǎng)新的產(chǎn)業(yè)變革，對(duì)于保障糧食安全、促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展具有重大戰(zhàn)略性意義。

通訊作者簡(jiǎn)介

馬延和，1983年8月參加工作，在職研究生學(xué)歷，工學(xué)博士，研究員?，F(xiàn)任天津市第十七屆人大常委會(huì)副主任，農(nóng)工黨中央常委、天津市委會(huì)主委、濱海新區(qū)區(qū)委會(huì)主委，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所所長(zhǎng)。

研究方向：極端微生物的認(rèn)識(shí)與利用，主要包括極端環(huán)境的微生物區(qū)系生態(tài)與生物多樣性、極端微生物生理機(jī)制與功能多樣性、極端微生物特殊功能與產(chǎn)物的開發(fā)和利用。目前的重點(diǎn)是發(fā)展采樣、分離、培養(yǎng)、分子操作等新的方法技術(shù)，進(jìn)行極端環(huán)境的物種與基因分析；分析極端微生物嗜極特性及其分子基礎(chǔ)，開展極端微生物的分子生理學(xué)研究；開發(fā)極端酶等新產(chǎn)物，探討其在寡糖生產(chǎn)、生物催化等方面的應(yīng)用途徑。

文獻(xiàn)信息

Cell-free chemoenzymatic starch synthesis fromcarbon dioxide. Cai et al., Science 373, 1523–1527 (2021)

https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/science.abh4049

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