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從中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所（以下簡(jiǎn)稱天津工生所）出發(fā)，一路往東南走4000米，會(huì)來(lái)到一個(gè)充滿“魔法”的地方。

這里是一個(gè)工程化測(cè)試平臺(tái)，各類儀器緊湊安放，測(cè)試裝置轟隆作響。不久后，發(fā)酵罐里由二氧化碳合成的甲醇會(huì)與特定的生物催化劑——酶，一個(gè)接一個(gè)反應(yīng)，最終化為一管管雪白的淀粉。

人工合成淀粉樣品。

2021年9月24日，天津工生所在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)二氧化碳到淀粉從頭合成的重大突破，相關(guān)成果在線發(fā)表于《科學(xué)》。2022年底，它又邁出從實(shí)驗(yàn)室走向生產(chǎn)線的關(guān)鍵一步，建成噸級(jí)中試裝置，目前正在進(jìn)行測(cè)試。

先“從0到1”，再“從1到10”，在解決人類發(fā)展面臨的糧食問(wèn)題上，天津工生所矢志不渝、行穩(wěn)致遠(yuǎn)。

1?憑“空”造淀粉，這有可能嗎

作為一類重要的高分子碳水化合物，淀粉是農(nóng)耕文明的核心產(chǎn)品，為人類提供了生存所需的熱量。1萬(wàn)多年來(lái)，農(nóng)業(yè)種植都是生產(chǎn)淀粉的唯一途徑。

然而，植物光合作用能量效率低、生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，可能引發(fā)糧食安全問(wèn)題。為此，科學(xué)家探索出了雜交育種、模塊育種、分子育種等辦法，還建立了人工光合系統(tǒng)。

“這些都沒(méi)有脫離植物本身的固碳模式，就像跑得再快，本質(zhì)上還是依靠雙腳。能不能跳出這個(gè)模式，直接造一輛‘汽車’，把糧食生產(chǎn)送上快車道呢？”2014年的一天，在從北京回天津的高鐵上，天津工生所創(chuàng)始所長(zhǎng)、二氧化碳合成淀粉項(xiàng)目首席科學(xué)家馬延和這樣思考。

作為致力于工業(yè)生物發(fā)展的科研機(jī)構(gòu)，天津工生所一直以來(lái)追求一個(gè)重要目標(biāo)——在工業(yè)車間培養(yǎng)生物體，并用其生產(chǎn)農(nóng)業(yè)物質(zhì)，即實(shí)現(xiàn)“農(nóng)業(yè)工業(yè)化”。

在天津工生所召開(kāi)的一次討論會(huì)上，馬延和繼續(xù)腦洞大開(kāi)：“我們干脆模仿植物，合成一個(gè)細(xì)胞，讓它利用空氣中的二氧化碳合成所需物質(zhì)。那才是真正的‘憑空制造、隨心所欲’！”

經(jīng)過(guò)仔細(xì)論證，大家一致認(rèn)為，合成細(xì)胞太困難，但在胞外利用二氧化碳合成淀粉或許可以試試。

馬延和表示，當(dāng)今世界正面臨氣候變化、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)，科技工作者重任在肩。二氧化碳轉(zhuǎn)化利用與糧食淀粉工業(yè)合成，正是應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的重大科技問(wèn)題之一。

2015年1月，還在美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)訪問(wèn)交流的天津工生所副研究員蔡韜接到馬延和的電話：“所里正計(jì)劃做憑空制造淀粉的項(xiàng)目。”

“憑空制造？這可能嗎？”蔡韜很驚訝，又很興奮。當(dāng)時(shí)他已加入天津工生所兩年多，抱著“做以應(yīng)用為導(dǎo)向的基礎(chǔ)研究”的想法，從傳統(tǒng)生物學(xué)轉(zhuǎn)向合成生物學(xué)研究，并于2014年5月外出訪學(xué)。

蔡韜深感這個(gè)項(xiàng)目意義重大，但要怎么做、能不能做成，心里一直在打鼓。

前期調(diào)研結(jié)果不容樂(lè)觀。一聽(tīng)說(shuō)這個(gè)想法，即使是領(lǐng)域內(nèi)的知名專家也紛紛搖頭?！爸参锕夂献饔靡汛嬖谑畮變|年，至今還未完全弄清楚系統(tǒng)機(jī)制，你們能從頭合成？”

大家的質(zhì)疑不無(wú)道理。這是從沒(méi)有人做成的事，翻遍國(guó)內(nèi)外所有文獻(xiàn)，也找不到任何關(guān)于合成路徑、研究方法的線索。

“可轉(zhuǎn)頭想想，植物能做的事，我們?cè)趺淳筒荒茏?？”馬延和說(shuō)，當(dāng)時(shí)天津工生所已經(jīng)實(shí)現(xiàn)人參、天麻、紅景天等一批藥用、經(jīng)濟(jì)植物有效組分的異源細(xì)胞合成，為糖、肉、油脂、蛋白等設(shè)計(jì)了生物合成的新路線，在變革傳統(tǒng)耕作模式方面已有了不少積累。

蔡韜（左）與技術(shù)人員討論。

2?革新組織模式，科研建制化

2016年1月1日，中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目“二氧化碳的人工生物轉(zhuǎn)化”正式立項(xiàng)。這一項(xiàng)目由天津工生所負(fù)責(zé)，旨在通過(guò)高效利用化學(xué)能、光能、電能等多種能量形式，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為復(fù)雜有機(jī)物，同時(shí)從中劃撥部分資金用于“二氧化碳合成淀粉”的前期探索。

與許多依賴課題組長(zhǎng)負(fù)責(zé)制的科研組織模式不同，二氧化碳合成淀粉項(xiàng)目一開(kāi)始便以建制化方式展開(kāi)，采取“總體研究部-特色研究組-平臺(tái)實(shí)驗(yàn)室”三維科研組織模式。

總體研究部負(fù)責(zé)圍繞工程生物學(xué)重大科學(xué)問(wèn)題、生物產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)，凝練重大科技任務(wù)，確定攻關(guān)目標(biāo)。一旦立項(xiàng)，由資深研究員擔(dān)任首席科學(xué)家，并在全所甚至全社會(huì)范圍聘任“項(xiàng)目經(jīng)理”。

隨后，在馬延和、天津工生所時(shí)任所長(zhǎng)助理王欽宏等的指導(dǎo)幫助下，二氧化碳合成淀粉項(xiàng)目組根據(jù)項(xiàng)目目標(biāo)凝練問(wèn)題、分解任務(wù)，并面向全所招募和組織精銳團(tuán)隊(duì)進(jìn)行協(xié)同攻關(guān)。

立項(xiàng)之初，項(xiàng)目組除馬延和、王欽宏、蔡韜外，只有4位主要技術(shù)人員承擔(dān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)工作。在3年的周期內(nèi)，他們只做這一個(gè)項(xiàng)目，如果有需要?jiǎng)t聯(lián)系所內(nèi)外科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)行合作。

項(xiàng)目正式啟動(dòng)時(shí)，團(tuán)隊(duì)成員都感到壓力很大。在植物的自然反應(yīng)中，淀粉合成與積累涉及約60步代謝反應(yīng)和細(xì)胞器間運(yùn)輸，要進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)必須將其簡(jiǎn)化，同時(shí)又要保證反應(yīng)充分、精準(zhǔn)。

為此，團(tuán)隊(duì)與天津工生所研究員馬紅武合作，開(kāi)發(fā)出全新的算法，并在6568個(gè)生化反應(yīng)中，對(duì)合成路徑進(jìn)行系統(tǒng)挖掘和篩選，計(jì)算出了一條最短的合成途徑。

這條途徑共有9步主反應(yīng)，大致是先進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，利用高密度電/氫能將二氧化碳還原為碳一化合物，再進(jìn)行生物反應(yīng)，將碳一化合物聚合為碳三化合物、碳六化合物（即葡萄糖）直至長(zhǎng)鏈淀粉分子。

但這只是一條理論的虛擬途徑，接下來(lái)必須將它轉(zhuǎn)為現(xiàn)實(shí)。

3?三年攻關(guān)戰(zhàn)，初現(xiàn)“淀粉藍(lán)”

人工合成淀粉科研團(tuán)隊(duì)。

雖然對(duì)項(xiàng)目難度早有預(yù)估，但實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，困難還是超出了大家的想象。

其中最突出的是酶的問(wèn)題。每一步的反應(yīng)都需要酶參與，可依照計(jì)算出來(lái)的途徑，許多酶的組合在現(xiàn)實(shí)中從未出現(xiàn)過(guò)。

不同于“一把鑰匙開(kāi)一把鎖”，同一個(gè)酶往往能催化多個(gè)反應(yīng)，這就會(huì)帶來(lái)“副作用”。有時(shí)，一個(gè)底物被多個(gè)酶競(jìng)爭(zhēng)，致使后面的酶沒(méi)有底物可用；有時(shí)，它和不需要結(jié)合的底物“一拍即合”，卻對(duì)需要結(jié)合的底物“興趣寥寥”。

很長(zhǎng)一段時(shí)間，團(tuán)隊(duì)成員都在和這些酶“斗智斗勇”。他們與天津工生所最擅長(zhǎng)新酶設(shè)計(jì)的研究員江會(huì)鋒團(tuán)隊(duì)、最擅長(zhǎng)酶進(jìn)化改造的研究員朱蕾蕾團(tuán)隊(duì)合作，對(duì)已有的酶進(jìn)行定向改造，或是從頭設(shè)計(jì)新酶、創(chuàng)建非自然的人工酶，以解決酶的組合優(yōu)化問(wèn)題。

時(shí)間來(lái)到2018年，為期3年的項(xiàng)目即將結(jié)題，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了碳一化合物到淀粉的合成，卻卡在了前一步——從二氧化碳到碳一化合物還原反應(yīng)中。

當(dāng)時(shí)可選擇的路徑有兩條，一是將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲酸，再將甲酸轉(zhuǎn)化為甲醛；二是將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲醇，再將甲醇轉(zhuǎn)化為甲醛?？蔁o(wú)論哪條路，反應(yīng)得到的甲醛量都不足以支撐后續(xù)反應(yīng)。

那段日子，團(tuán)隊(duì)成員都變得異常敏感，懷疑自己做的每一個(gè)步驟，猜測(cè)是溶液加錯(cuò)、劑量沒(méi)看準(zhǔn)，還是犯了其他低級(jí)錯(cuò)誤。然而不斷重復(fù)后，他們不得不面對(duì)的事實(shí)是，操作沒(méi)有錯(cuò)誤，反應(yīng)無(wú)法推進(jìn)。

蔡韜已經(jīng)記不清，當(dāng)時(shí)有多少次與馬延和、天津工生所研究員游淳討論甲醛反應(yīng)量的問(wèn)題。他在不斷討論中逐漸找到思路——利用甲醇中“氫燃燒”產(chǎn)生的能量驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生甲醛的反應(yīng)，解決甲醛反應(yīng)中的熱力學(xué)匹配問(wèn)題。

2018年7月24日下午，蔡韜在實(shí)驗(yàn)室樓上的會(huì)議室里，正準(zhǔn)備參加中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)項(xiàng)目階段評(píng)審會(huì)，突然接到實(shí)驗(yàn)室技術(shù)員發(fā)來(lái)的一張照片。照片中3個(gè)試劑管并排，加入最新試驗(yàn)產(chǎn)物的中間試劑管里的碘溶液呈淡藍(lán)紫色，與左右兩邊無(wú)色試劑管、深藍(lán)色試劑管對(duì)比明顯。

人工合成淀粉遇碘變藍(lán)。

蔡韜立刻打電話確認(rèn)，得到肯定回復(fù)后仍不放心，一路小跑回實(shí)驗(yàn)室。直到親眼見(jiàn)到試劑管，他才抑制不住地喊道：“太好了！制造路徑終于全線打通了！”

那天，大家臉上一改連日來(lái)的嚴(yán)肅，掛滿了笑容。蔡韜隨即向馬延和報(bào)喜，“這真是我見(jiàn)過(guò)最美的顏色”。

至此，二氧化碳從頭合成淀粉終于實(shí)現(xiàn)了“從0到1”，合成產(chǎn)量達(dá)到30毫克/升。

4?所外尋合作，迎高光時(shí)刻

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)并未就此止步，而是決定繼續(xù)開(kāi)展后續(xù)研究，與酶“死磕”下去，提高合成速率和產(chǎn)量。

在隨后幾個(gè)月里，他們通過(guò)對(duì)關(guān)鍵酶的定向改造，解決了途徑中限速酶活性低、輔因子抑制、三磷酸腺苷（ATP）競(jìng)爭(zhēng)等難題。

2018年底，中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目“二氧化碳的人工生物轉(zhuǎn)化”結(jié)題，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將淀粉合成產(chǎn)量提升8倍，達(dá)到200至300毫克/升，遠(yuǎn)超立項(xiàng)之初的目標(biāo)。這意味著，二氧化碳合成淀粉項(xiàng)目迎來(lái)了2.0時(shí)代。

“從最初的‘盲目自信’，到后來(lái)被各種困難打擊到谷底，直到逐步做出1.0、2.0版本，大家的信心一點(diǎn)點(diǎn)建立了起來(lái)?！辈添w說(shuō)。

2019年6月24日，在馬延和的指導(dǎo)下，蔡韜、江會(huì)鋒帶著最新進(jìn)展資料，來(lái)到中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所（以下簡(jiǎn)稱大連化物所）尋求合作。

當(dāng)時(shí)，中國(guó)科學(xué)院院士、大連化物所研究員李燦團(tuán)隊(duì)已深耕20多年，實(shí)現(xiàn)了電解水制綠氫、再由綠氫加二氧化碳合成甲醇。如果這條路徑能與二氧化碳合成淀粉的生物反應(yīng)路徑耦合，或許能實(shí)現(xiàn)新的突破。

聽(tīng)完項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的介紹，李燦表現(xiàn)出了極大興趣，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)一拍即合。

后來(lái)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將李燦團(tuán)隊(duì)合成的甲醇帶回天津工生所實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行后續(xù)合成淀粉實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)完全可以正常合成，反應(yīng)速率與商業(yè)甲醇無(wú)異。

進(jìn)一步采用反應(yīng)時(shí)空分離策略，解決化學(xué)與生物反應(yīng)不兼容的問(wèn)題，建立生化級(jí)聯(lián)反應(yīng)系統(tǒng)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將淀粉合成產(chǎn)量提升17倍，達(dá)到1.6克/升，實(shí)現(xiàn)了不同類型淀粉的可控合成。

二氧化碳合成淀粉的3.0版本出現(xiàn)了，且這一人工途徑的淀粉合成速率明顯超過(guò)玉米淀粉的合成速率。

2021年9月24日，《科學(xué)》雜志在線發(fā)表了這一成果，團(tuán)隊(duì)6年技術(shù)攻關(guān)終于換來(lái)了豐碩的果實(shí)。

成果發(fā)布后，一下子引爆了學(xué)術(shù)圈和社會(huì)輿論，“二氧化碳合成淀粉”迅速成為熱門話題。

國(guó)內(nèi)外專家紛紛表示，該成果是“典型的從0到1原創(chuàng)性突破”；是一項(xiàng)擴(kuò)展并提升人工光合作用能力前沿研究領(lǐng)域的重大突破，具有“頂天立地”的重大意義；不僅對(duì)未來(lái)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特別是糧食生產(chǎn)具有革命性影響，而且對(duì)全球生物制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有里程碑式意義。

人工合成淀粉工程化模型。

5?全力降成本，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化

論文發(fā)表后的那個(gè)早上，團(tuán)隊(duì)成員的手機(jī)都響個(gè)不停。除了媒體報(bào)道、同行祝賀外，尋求合作的研究團(tuán)隊(duì)、生物技術(shù)公司、咨詢公司也紛至沓來(lái)。隨之而來(lái)的還有人們對(duì)這項(xiàng)成果產(chǎn)業(yè)化的期待和質(zhì)疑。

處于信息漩渦的中心，蔡韜興奮、緊張又擔(dān)心，心中五味雜陳?！澳嵌螘r(shí)間整個(gè)人都很蒙，沒(méi)有想到會(huì)引發(fā)這么大的關(guān)注?！?/p>

后續(xù)的科研怎么做？敢不敢做產(chǎn)業(yè)化？如果進(jìn)行工程化測(cè)試，投入巨大，萬(wàn)一失敗怎么辦？大家走到了新的岔路口，必須作出抉擇。經(jīng)過(guò)深思熟慮，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)終于下定決心——做！

“產(chǎn)業(yè)化是我們最初的理想，也是最終的目標(biāo)。初期爬坡那么艱難，走到一半?yún)s不走了，怎么甘心？”馬延和說(shuō)。

2022年8月，天津工生所成立人工合成淀粉研究中心（以下簡(jiǎn)稱淀粉中心），以加速人工合成淀粉工程應(yīng)用、推動(dòng)糧食組分車間制造，聚焦解決產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用背后的前沿基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題。

淀粉中心仍采取三維科研組織模式，按總體研究部機(jī)制運(yùn)行，研究所層面提供穩(wěn)定支持、寬容失敗的科研環(huán)境，培養(yǎng)甘坐“冷板凳”的核心研發(fā)團(tuán)隊(duì)。

“前期實(shí)踐已經(jīng)說(shuō)明，三維科研組織模式能夠有效克服科研碎片化問(wèn)題，發(fā)揮不同學(xué)科優(yōu)勢(shì)，集成科研院所、企業(yè)的優(yōu)勢(shì)研發(fā)力量進(jìn)行高效協(xié)同攻關(guān)，充分發(fā)揮體系化建制化優(yōu)勢(shì)?！瘪R延和表示。

目前，淀粉中心已經(jīng)聚集起20人左右的精銳力量，未來(lái)將增加至30人左右。

2022年底，二氧化碳人工合成淀粉工程化測(cè)試平臺(tái)建成，百升級(jí)、噸級(jí)中試裝置啟動(dòng)測(cè)試。這意味著，整條合成路徑第一次走出實(shí)驗(yàn)室、進(jìn)入生產(chǎn)線，科研團(tuán)隊(duì)正式朝“從1到10”的目標(biāo)邁進(jìn)。

人工合成淀粉工程化測(cè)試平臺(tái)。劉如楠/攝

與測(cè)試平臺(tái)建成一同到來(lái)的好消息是，“人工合成淀粉關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用”項(xiàng)目獲得中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)支持。馬延和表示：“這讓我們科研人員再一次充滿了信心和底氣?！?/p>

如今，科研團(tuán)隊(duì)的主要攻關(guān)目標(biāo)是“降低成本”，最核心的難題依然是酶。他們希望不斷提高酶的反應(yīng)效率，讓價(jià)格昂貴的酶實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。同時(shí)，努力尋找和解決反應(yīng)規(guī)模擴(kuò)大后可能出現(xiàn)的效率受阻、堵塞不通、相互抑制等問(wèn)題，不斷改進(jìn)工藝流程。

馬延和期待，把淀粉合成的成本降到和農(nóng)業(yè)種植相當(dāng)甚至更低?！澳菍?huì)節(jié)約90%以上的耕地和淡水資源，避免農(nóng)藥、化肥等對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，緩解農(nóng)業(yè)壓力，助力碳中和的生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展?！?/p>

前方的路還很長(zhǎng)。如今，人工合成淀粉科研團(tuán)隊(duì)更加堅(jiān)信：路雖遠(yuǎn)，行則將至；事雖難，做則必成。

（原載于《中國(guó)科學(xué)報(bào)》?2024-05-22?第4版?專題）