从0到1!中国科学家改变历史!

从0到1!中国科学家改变历史!
2021年09月24日 09:38 新浪科技综合

  ◎ 科技日报记者 陆成宽

  满足碳水需求必须靠种地吗?二氧化碳和氢气在一起会发生怎样的反应?

  9月23日,中国科学院召开本年度首场新闻发布会,介绍该院天津工业生物技术研究所在人工合成淀粉方面取得的重要进展。该所研究人员提出了一种颠覆性的淀粉制备方法,不依赖植物光合作用,以二氧化碳、电解产生的氢气为原料,成功生产出淀粉,在国际上首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成,使淀粉生产从传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能,取得原创性突破。相关研究成果9月24日在线发表于《科学》杂志。

  淀粉是“粥饭”中最主要的碳水化合物,是面粉、大米、玉米等粮食的主要成分,也是重要的工业原料。

  目前,淀粉主要由绿色植物通过光合作用固定二氧化碳进行合成。在玉米等农作物中,将二氧化碳转变为淀粉涉及60余步的代谢反应和复杂的生理调控,太阳能的理论利用效率不超过2%。农作物的种植通常需要数月的周期,使用大量的土地、淡水、肥料等资源。

  “长期以来,科研人员一直在努力改进光合作用这一生命过程,希望提高二氧化碳的转化速率和光能的利用效率,最终提升淀粉的生产效率。”论文通讯作者、中科院天津工业生物技术研究所所长马延和直言。

  那么,除了光合作用外,还有没有效率更高的二氧化碳生产淀粉的方式?

  为解决这一难题,中科院天津工业生物技术研究所研究人员从头设计了11步主反应的非自然二氧化碳固定与人工合成淀粉新途径,在实验室中首次实现了从二氧化碳到淀粉分子的全合成。

  研究团队采用了一种类似“搭积木”的方式,联合中科院大连化学物理研究所,利用化学催化剂将高浓度二氧化碳在高密度氢能作用下还原成碳一(C1)化合物,然后通过设计构建碳一聚合新酶,依据化学聚糖反应原理将碳一化合物聚合成碳三(C3)化合物,最后通过生物途径优化,将碳三化合物又聚合成碳六(C6)化合物,再进一步合成直链和支链淀粉(Cn化合物)。

  “这一人工途径的淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍,向设计自然、超越自然目标的实现迈进了一大步,为创建新功能的生物系统提供了新的科学基础。”论文第一作者、中科院天津工业生物技术研究所副研究员蔡韬说。

  论文第一作者、中科院天津工业生物技术研究所副研究员蔡韬

  在充足能量供给的条件下,按照目前的技术参数推算,理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于我国5亩土地玉米种植的平均年产量。这一成果使淀粉生产的传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能,并为二氧化碳原料合成复杂分子开辟了新的技术路线。

  马延和表示,该成果为从二氧化碳到淀粉生产的工业车间制造打开了一扇窗,如果未来该系统过程成本能够降低到与农业种植相比具有经济可行性,将会节约90%以上的耕地和淡水资源,避免农药、化肥等对环境的负面影响,提高人类粮食安全水平,促进碳中和的生物经济发展,推动形成可持续的生物基社会。

  同时,中国科学院副院长、党组成员,中国科学院院士周琪在发布会上强调,这项成果尚处于实验室阶段,离实际应用还有相当长的距离,后续还需要尽快实现从“0到1”的概念突破到“1到10”和“10到100”的转换,最终真正成为解决人类发展面临重大问题和需求的有效手段和工具。

  此外,该成果也得到了国内外领域专家的高度评价。《科学》杂志新闻部执行主任梅根·菲兰认为,该研究成果将为我们未来通过工业生物制造生产淀粉这种全球性重要物质提供新的技术路线;中科院院士赵国屏表示,这是一项具有“顶天立地”重大意义的科研成果;德国科学院院士、欧洲科学院院士曼弗雷德·雷兹称,本项工作将该领域的研究向前推进了一大步,同时将天津工业生物技术研究所推向了国际顶尖水平。

  科技日报记者独家专访

  人工合成淀粉论文作者马延和、蔡韬

  9月24日,《科学》在线发表了我国科研人员在淀粉人工合成方面取得的重大突破性成果。这项研究在国际上首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成,是基础研究领域的重大突破。

  为全面呈现这项研究的“前世今生”,讲述研究人员甘坐冷板凳、潜心科研攻关的故事,科技日报记者独家专访了论文通讯作者、中国科学院天津工业生物技术研究所所长马延和与论文第一作者、中国科学院天津工业生物技术研究所副研究员蔡韬。

  抢占事关长远和全局的科技战略制高点

  科技日报记者:自然光合作用合成淀粉的过程非常复杂,人工合成淀粉难度更高。当初,为什么会选择“从二氧化碳到淀粉的人工合成”这个项目进行科技攻关?

  马延和:粮食安全是国家安全的重要基础,我国一直积极推进农业生物技术进步,从遗传杂交育种到分子设计育种,我们一直在追赶着国际科技前沿。

  有没有可能“换道超车”?其实这个想法由来已久,即使是替代一部分粮食淀粉作为工业原料、甚至饲料,也是对缓解农业压力的巨大贡献。

  合成生物学被认为是影响未来的颠覆性技术。模拟自然作物光合作用,重新设计生命合成代谢过程,设计人工生物系统不依赖植物种植进行淀粉制造,潜藏着惊人的变革前景。的确,这条路线存在很多的不确定性,科学问题复杂、技术路线不清、瓶颈问题难测;但是,科学研究就需要大胆的实践、勇闯无人区。

  我们科技工作者要有强烈的国家使命感,面向国家重大战略需求,在科技工作中作出重大创新贡献是我们的责任担当。“从二氧化碳到淀粉的人工合成”的工业路径是事关长远和全局的科技战略制高点,是国之重器。

  科技日报记者:人工从二氧化碳合成淀粉这项研究是各国科学家都在开展吗?能否介绍一下这个领域的竞争态势?

  蔡韬:摆脱植物进行二氧化碳固定是科学家多年来的梦想,二氧化碳人工生物转化方面是国际上研究的热点和难点,只要取得一定的突破,都是重磅的成果。

  过去几年,仅在《细胞》《自然》《科学》上发表的相关论文就不下十篇,主要集中在二氧化碳固定、人工光合作用等研究方向。2018年,美国国家航空航天局(NASA)更是提出了二氧化碳制造葡萄糖的百年挑战计划,但是目前淀粉的从头人工合成还没有实现突破。我们在国际上首次报道了二氧化碳到淀粉的全合成,这种人工合成淀粉的方式展现了超越自然淀粉合成方式的极大潜力,相信会有更多的科学家投身到这一极具挑战性且具有重大战略意义的领域。

  曾怀疑过设计路线 但从未想过放弃

  科技日报记者:第一次成功合成淀粉是什么时候?首次看到“淀粉蓝”,您有什么感受?后续又做了哪些工作?

  蔡韬:第一次成功合成淀粉是在2018年7月24日。记得当时是在参加项目的进展研讨会,看到“淀粉蓝”的照片的时候,心情非常激动!当时就马上和工作人员确定了合成的具体条件,排除假阳性出现的可能性,然后就是安排不同的人员重复合成淀粉的工作。

  在确定实现碳一化合物到淀粉的人工合成后,其实也可以投稿发文章了,但是我们还是更加看重实用性,就着手提高人工淀粉的合成效率,在后续的两年多的时间里将合成效率提高100多倍。人工合成淀粉尽管现在离实际应用还有很大差距,但展现了未来产业化应用的潜力。

  科技日报记者:在“从二氧化碳到淀粉的人工合成”项目研究过程中,您取得了哪些重大突破?

  蔡韬:植物合成淀粉的机制非常复杂,但从化学本质上来看,还是还原、缩合、重排、聚合的过程。

  我们从重新设计自然代谢途径开始,首先解决了途径计算设计中普遍存在的不适配难题,跨越了从虚拟到现实的鸿沟,将自然淀粉复杂的合成过程简约至只有11步主要反应;

  其次,突破了不同来源、不同遗传背景的生物酶之间难以匹配的瓶颈,跨越了自然缓慢进化的鸿沟,超越了生物代谢途径亿万年的进化效果,淀粉合成速率是玉米的8.5倍;

  最后,“从二氧化碳到淀粉的人工合成”克服了化学和生物协同催化的障碍,实现利用高密度的电氢能合成淀粉分子,跨越了生化反应能量传递的鸿沟,理论能量转化效率是玉米的3.5倍。

  科技日报记者:在项目研究过程中,请问您遇到的最大难题是什么?当时有没有想过放弃?

  蔡韬:在研究过程中,我们遇到的最大的难题就是如何让不同来源的酶元件按照设计的路径在一起有效工作,我们为此测试了不同来源的酶元件,设计、改造了多个酶基因,做了上百种不同的组合测试。

  特别是在构建淀粉人工合成途径1.0时,我们用了近三年的时间才实现碳一化合物到淀粉的人工合成,在这之前,从来没有研究证明设计人工途径合成淀粉是可行的,在成功之前,我们最常问自己的问题就是这条路真的可行吗?

  当1.0版本构建成功后,我们非常有信心人工合成淀粉是可行的。然而,在项目进行了两年半的时候,我们曾经怀疑过这条设计的路线,但从来没有想过放弃人工合成淀粉的工作。

  弘扬科学家精神 创新科研管理模式

  科技日报记者:在项目实施过程中,为了使科研人员甘坐冷板凳、潜心科技攻关,请问研究所在科技管理模式上进行了哪些创新?

  马延和:淀粉的车间制造是我们提出以生物技术推动“农业工业化”的一个标志。6年前项目开始设计时,谁也没有把握,我们也做好了长期奋斗的准备,中国科学院、天津市的项目支持给了我们预研的机会,可是在人才竞争、大家要“成长”的环境下,组织团队潜心研究、不问前程确实很难。

  研究所积极探索科研管理模式创新,成立了项目制的总体研究部,项目组实行预算制,资源由研究所保障,不必申请竞争性经费,拥有科技问题分解与组织的权力,自主协同各个学科研究组的力量。对项目组的考核,简单、客观、宽松,不计较论文产出,不计较一时胜败,团队成员的绩效薪酬一般高于同等科技人员。

  特别是,我们一直在弘扬科学家精神,培养家国情怀,所领导带头做淡泊名利、无私奉献的表率,将“官兵一致同甘苦、革命理想高于天”的长征精神明确为研究所的文化,逐渐凝聚了一批有家国情怀、勇于创新、甘于坐冷板凳的优秀青年科学家宁心静气、以十年磨一剑的精神潜心攻关。

  科技日报记者:这项研究工作被认为是基础研究领域“从0到1”的原创性突破,请问在您看来,这项研究将产生怎样的影响?有什么意义?

  马延和:这项研究不是自由探索的基础研究,而是需求导向、问题导向、目标导向的基础研究,开展多学科交叉研究,是生命科学研究的新范式。此次研究设计、组装出一种自然界不存在的淀粉合成代谢途径,并使其工作效率大幅高于自然生物过程,解决了生物功能从虚拟到现实、人工途径生物进化、生化反应能量传递等科学难题,体现了学习自然、模仿自然、超越自然的理念,具有重要的科学意义和应用价值。

  合成生物技术耦合化学催化技术,建立了高能量密度、高二氧化碳浓度生物转化的新技术路线,虽然从实验室到工业化应用还面临众多的科技挑战,但孕育了巨大的产业变革新机。对于把二氧化碳资源化转变为食品、材料、化学品等绿色低碳产业发展将产生重大影响,建立了一个创新赛道的新起点。未来二氧化碳到淀粉的人工合成技术如果具有经济可行性,工业车间制造淀粉将会实现,与农业种植相比,可以节省超过90%的土地和淡水资源,并且消除化肥和农药对环境的负面影响,必将带来一场新的产业变革,对于保障粮食安全、促进社会经济可持续、高质量发展具有重大战略性意义。

  来源:科技日报 文中图片均由科技日报记者 陆成宽 摄

二氧化碳淀粉
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