天津空港經(jīng)濟(jì)區(qū)，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“天津工業(yè)生物所”）內(nèi)，研發(fā)人員喬婧正在重復(fù)每日的實(shí)驗(yàn)流程。當(dāng)一滴滴碘液被加入試管，喬婧不由得愣住了：試劑變成了期待已久的顏色，“藍(lán)色雖然很淡，但這說(shuō)明淀粉出現(xiàn)了！”回憶2018年的情景，喬婧依然激動(dòng)。
同樣激動(dòng)的還有天津工業(yè)生物所人工合成淀粉項(xiàng)目經(jīng)理蔡韜。他一度不敢確信，從會(huì)議室一路奔回實(shí)驗(yàn)室，設(shè)計(jì)了重復(fù)實(shí)驗(yàn)。第二天，“淀粉藍(lán)”如期出現(xiàn)，“太好了！”蔡韜懸著的心放了下來(lái)，笑容洋溢在臉上，身后的同事跟著鼓掌歡呼。
2021年，人工合成淀粉團(tuán)隊(duì)在國(guó)際刊物《科學(xué)》雜志上發(fā)表了結(jié)合人工光合反應(yīng)和生物酶催化反應(yīng)構(gòu)筑了從水和二氧化碳合成淀粉的新體系。“這是一項(xiàng)里程碑式的突破，將在下一代生物制造和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中帶來(lái)變革性影響。”審稿專家如此評(píng)價(jià)。
人工合成淀粉項(xiàng)目的由來(lái)，源于一次高鐵上的思考。“當(dāng)今世界面臨氣候變化、糧食安全、能源資源短缺等挑戰(zhàn)，如何把二氧化碳轉(zhuǎn)化成對(duì)人類有意義且有市場(chǎng)價(jià)值的物質(zhì)？”在出差回天津的高鐵上，這個(gè)念頭突然出現(xiàn)在天津工業(yè)生物所時(shí)任所長(zhǎng)馬延和的腦海中。經(jīng)過(guò)所里認(rèn)真研判，人工合成淀粉項(xiàng)目在2015年正式提出。
接到攻關(guān)任務(wù)邀請(qǐng)時(shí)，蔡韜既興奮又擔(dān)憂，人工合成淀粉，理論上來(lái)說(shuō)可以實(shí)現(xiàn)，但此前沒(méi)有成功案例，“我們想挑戰(zhàn)一下別人沒(méi)做成的事”。
在自然界，玉米、小麥、土豆等農(nóng)作物通過(guò)光合作用將太陽(yáng)光能、二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成淀粉。但這個(gè)自然過(guò)程需要大量的土地和淡水資源，且受天氣影響很大。
能不能模擬自然界淀粉的合成過(guò)程，通過(guò)技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)人工合成淀粉？
“我們最初的思路是利用可再生能源分解水產(chǎn)生電子或氫，然后利用電子或氫將二氧化碳還原為甲酸、甲醇等簡(jiǎn)單化合物，進(jìn)一步通過(guò)酶催化簡(jiǎn)單化合物聚合生成淀粉。”蔡韜說(shuō)，人工合成淀粉，是一場(chǎng)尋找“捷徑”的實(shí)驗(yàn)。
在農(nóng)作物中，淀粉的合成大約需要60步代謝反應(yīng)。如果要進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，就必須簡(jiǎn)化步驟。蔡韜和團(tuán)隊(duì)與所內(nèi)擅長(zhǎng)生物設(shè)計(jì)的團(tuán)隊(duì)合作，從6568個(gè)生化反應(yīng)中進(jìn)行系統(tǒng)挖掘和篩選，分別從甲酸或甲醇出發(fā)，設(shè)計(jì)了最短的人工淀粉合成路徑。理論上，二氧化碳僅通過(guò)9個(gè)主反應(yīng)就能合成淀粉。“步數(shù)越少，問(wèn)題就越少。”蔡韜說(shuō)。
實(shí)驗(yàn)一做就是3年，光是實(shí)驗(yàn)記錄就摞了半人高，團(tuán)隊(duì)成員的心情也跟著實(shí)驗(yàn)過(guò)程不斷起伏。
問(wèn)題出在哪里了？“就像河水?dāng)嗔?，要找出是上游堵塞還是河道分叉，弄清癥結(jié)才能解決問(wèn)題。”蔡韜說(shuō)，實(shí)驗(yàn)最突出的問(wèn)題是“酶”。淀粉合成過(guò)程中多數(shù)反應(yīng)都需要酶，自然界中的反應(yīng)路徑通過(guò)長(zhǎng)期自然選擇進(jìn)化而成，各個(gè)酶都能夠適配協(xié)作，但人工設(shè)計(jì)的反應(yīng)路徑卻不同。
“同一個(gè)酶往往能催化多個(gè)反應(yīng)，可能會(huì)帶來(lái)副作用；有時(shí)會(huì)出現(xiàn)多個(gè)酶競(jìng)爭(zhēng)一個(gè)底物，還有的酶會(huì)產(chǎn)生多種產(chǎn)物。”為調(diào)和酶之間的“矛盾”，蔡韜找到所里專門(mén)研究酶的團(tuán)隊(duì)，一起對(duì)酶進(jìn)行定向改造或人工設(shè)計(jì)新酶，來(lái)滿足淀粉合成人工路徑對(duì)酶的需要。
討論、實(shí)驗(yàn)、推翻、再討論、再實(shí)驗(yàn)……團(tuán)隊(duì)嘗試?yán)眉状贾?ldquo;氫燃燒”產(chǎn)生的能量驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生甲醛的反應(yīng)，解決反應(yīng)中的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)不匹配的問(wèn)題，9個(gè)主反應(yīng)也相應(yīng)被拓展到11個(gè)。
科學(xué)的積累是漫長(zhǎng)的，但突破有時(shí)只是一個(gè)瞬間。2018年7月24日上午，蔡韜收到團(tuán)隊(duì)成員的一張圖片。打開(kāi)后，蔡韜看到了那一抹夢(mèng)寐以求的“藍(lán)”。
“現(xiàn)在來(lái)看，那只是人工合成淀粉1.0版本。”蔡韜說(shuō)，這幾年團(tuán)隊(duì)完成了人工合成淀粉技術(shù)的迭代升級(jí)，不斷提高淀粉合成產(chǎn)量，把淀粉的生產(chǎn)強(qiáng)度較1.0版本提高了136倍，人工淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍，并可根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)不同類型淀粉的定向可控合成。
在蔡韜看來(lái)，科研的最大成功是能夠落地應(yīng)用，幫助增進(jìn)社會(huì)福祉，“接下來(lái)，我們將加快讓科研成果從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的速度，讓技術(shù)造物繪就科技惠民新圖景。”蔡韜說(shuō)。
