不靠植物造淀粉可能嗎?有戲!9月24日,《科學(xué)》在線發(fā)表了我國科研人員在淀粉人工合成方面取得的重大突破性成果。這項研究在國際上首次實(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。
為全面呈現(xiàn)這項研究的“前世今生”,講述研究人員甘坐冷板凳、潛心科研攻關(guān)的故事,科技日報記者獨(dú)家專訪了論文通訊作者、中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所所長馬延和與論文第一作者、中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所副研究員蔡韜。
搶占事關(guān)長遠(yuǎn)和全局的科技戰(zhàn)略制高點(diǎn)
科技日報記者: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,為什么會選擇“從二氧化碳到淀粉的人工合成”這個項目進(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)計生命合成代謝過程,設(shè)計人工生物系統(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;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)長遠(yuǎn)和全局的科技戰(zhàn)略制高點(diǎn),是國之重器。
科技日報記者:人工從二氧化碳合成淀粉這項研究是各國科學(xué)家都在開展嗎?能否介紹一下這個領(lǐng)域的競爭態(tài)勢?
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。我們在國際上首次報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)計路線 但從未想過放棄
科技日報記者:第一次成功合成淀粉是什么時候?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)時是在參加項目的進(jìn)展研討會,看到“淀粉藍(lán)”的照片的時候,心情非常激動!當(dāng)時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。
科技日報記者:在“從二氧化碳到淀粉的人工合成”項目研究過程中,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)計自然代謝途徑開始,首先解決了途徑計算設(shè)計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。
科技日報記者:在項目研究過程中,請問您遇到的最大難題是什么?當(dāng)時有沒有想過放棄?
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)計的路徑在一起有效工作,我們?yōu)榇藴y試了不同來源的酶元件,設(shè)計、改造了多個酶基因,做了上百種不同的組合測試。
特別是在構(gòu)建淀粉人工合成途徑1.0時,我們用了近三年的時間才實(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,在項目進(jìn)行了兩年半的時候,我們曾經(jīng)懷疑過這條設(shè)計的路線,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
科技日報記者:在項目實(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“農(nóng)業(yè)工業(yè)化”的一個標(biāo)志。6年前項目開始設(shè)計時,誰也沒有把握,我們也做好了長期奮斗的準(zhǔn)備,中國科學(xué)院、天津市的項目支持給了我們預(yù)研的機(jī)會,可是在人才競爭、大家要“成長”的環(huán)境下,組織團(tuán)隊潛心研究、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,成立了項目制的總體研究部,項目組實(shí)行預(yù)算制,資源由研究所保障,不必申請競爭性經(jīng)費(fèi),擁有科技問題分解與組織的權(quán)力,自主協(xié)同各個學(xué)科研究組的力量。對項目組的考核,簡單、客觀、寬松,不計較論文產(chǎn)出,不計較一時勝敗,團(tuán)隊成員的績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)。
科技日報記者:這項研究工作被認(rèn)為是基礎(chǔ)研究領(lǐng)域“從0到1”的原創(chuàng)性突破,請問在您看來,這項研究將產(chǎn)生怎樣的影響?有什么意義?
馬延和:這項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、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)藥對環(huán)境的負(fù)面影響,必將帶來一場新的產(chǎn)業(yè)變革,對于保障糧食安全、促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展具有重大戰(zhàn)略性意義。
(本報記者 陸成寬)
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