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不靠植物造淀粉可能嗎？有戲！9月24日，《科學(xué)》在線(xiàn)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。這項研究在國際上實(shí)現了二氧化碳到淀粉的從頭合成，是基礎研究領(lǐng)域的重大突破。

　　為全面呈現這項研究的“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，科技日報記者專(zhuān)訪(fǎng)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(cháng)馬延和與論文作者、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(cháng)遠和全局的科技戰略制高點(diǎn)

　　科技日報記者：自然光合作用合成淀粉的過(guò)程非常復雜，人工合成淀粉難度更高。當初，為什么會(huì )選擇“從二氧化碳到淀粉的人工合成”這個(gè)項目進(jìn)行科技攻關(guān)？

　　馬延和：糧食安全是安全的重要基礎，我國一直積極推進(jìn)農業(yè)生物技術(shù)進(jìn)步，從遺傳雜交育種到分子設計育種，我們一直在追趕著(zhù)國際科技前沿。

　　有沒(méi)有可能“換道超車(chē)”？其實(shí)這個(gè)想法由來(lái)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，也是對緩解農業(yè)壓力的巨大貢獻。

　　合成生物學(xué)被認為是影響未來(lái)的顛覆性技術(shù)。模擬自然作物光合作用，重新設計生命合成代謝過(guò)程，設計人工生物系統不依賴(lài)植物種植進(jìn)行淀粉制造，潛藏著(zhù)驚人的變革前景。的確，這條路線(xiàn)存在很多的不確定性，科學(xué)問(wèn)題復雜、技術(shù)路線(xiàn)不清、瓶頸問(wèn)題難測；但是，科學(xué)研究就需要大膽的實(shí)踐、勇闖無(wú)人區。

　　我們科技工作者要有強烈的使命感，面向重大戰略需求，在科技工作中作出重大創(chuàng )新貢獻是我們的責任擔當?！皬亩趸嫉降矸鄣娜斯ず铣伞钡墓I(yè)路徑是事關(guān)長(cháng)遠和全局的科技戰略制高點(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(kāi)展嗎？能否介紹一下這個(gè)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(lái)的夢(mèng)想，二氧化碳人工生物轉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(guò)去幾年，僅在《細胞》《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計劃，但是目前淀粉的從頭人工合成還沒(méi)有實(shí)現突破。我們在國際上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性且具有重大戰略意義的領(lǐng)域。

　　曾懷疑過(guò)設計路線(xiàn) 但從未想過(guò)放棄

　　科技日報記者：次成功合成淀粉是什么時(shí)候？看到“淀粉藍”，您有什么感受？后續又做了哪些工作？

　　蔡韜：次成功合成淀粉是在2018年7月24日。記得當時(shí)是在參加項目的進(jìn)展研討會(huì )，看到“淀粉藍”的照片的時(shí)候，心情非常激動(dòng)！當時(shí)就馬上和工作人員確定了合成的具體條件，排除假陽(yáng)性出現的可能性，然后就是安排不同的人員重復合成淀粉的工作。（下轉第三版）

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　　在確定實(shí)現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(zhù)手提高人工淀粉的合成效率，在后續的兩年多的時(shí)間里將合成效率提高100多倍。人工合成淀粉盡管現在離實(shí)際應用還有很大差距，但展現了未來(lái)產(chǎn)業(yè)化應用的潛力。

　　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(guò)程中，您取得了哪些重大突破？

　　蔡韜：植物合成淀粉的機制非常復雜，但從化學(xué)本質(zhì)上來(lái)看，還是還原、縮合、重排、聚合的過(guò)程。

　　我們從重新設計自然代謝途徑開(kāi)始，首先解決了途徑計算設計中普遍存在的不適配難題，跨越了從虛擬到現實(shí)的鴻溝，將自然淀粉復雜的合成過(guò)程簡(jiǎn)約至只有11步主要反應；

　　其次，突破了不同來(lái)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(wàn)年的進(jìn)化效果，淀粉合成速率是玉米的8.5倍；

　　更后，“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)現利用高密度的電氫能合成淀粉分子，跨越了生化反應能量傳遞的鴻溝，理論能量轉化效率是玉米的3.5倍。

　　科技日報記者：在項目研究過(guò)程中，請問(wèn)您遇到的更大難題是什么？當時(shí)有沒(méi)有想過(guò)放棄？

　　蔡韜：在研究過(guò)程中，我們遇到的更大的難題就是如何讓不同來(lái)源的酶元件按照設計的路徑在一起有效工作，我們?yōu)榇藴y試了不同來(lái)源的酶元件，設計、改造了多個(gè)酶基因，做了上百種不同的組合測試。

　　特別是在構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)現碳一化合物到淀粉的人工合成，在這之前，從來(lái)沒(méi)有研究證明設計人工途徑合成淀粉是可行的，在成功之前，我們更常問(wèn)自己的問(wèn)題就是這條路真的可行嗎？

　　當1.0版本構建成功后，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(shí)候，我們曾經(jīng)懷疑過(guò)這條設計的路線(xiàn)，但從來(lái)沒(méi)有想過(guò)放棄人工合成淀粉的工作。

　　弘揚科學(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(guò)程中，為了使科研人員甘坐冷板凳、潛心科技攻關(guān)，請問(wèn)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(chē)間制造是我們提出以生物技術(shù)推動(dòng)“農業(yè)工業(yè)化”的一個(gè)標志。6年前項目開(kāi)始設計時(shí)，誰(shuí)也沒(méi)有把握，我們也做好了長(cháng)期奮斗的準備，中國科學(xué)院、天津市的項目支持給了我們預研的機會(huì )，可是在人才競爭、大家要“成長(cháng)”的環(huán)境下，組織團隊潛心研究、不問(wèn)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)行預算制，資源由研究所保障，不必申請競爭性經(jīng)費，擁有科技問(wèn)題分解與組織的權力，自主協(xié)同各個(gè)學(xué)科研究組的力量。對項目組的考核，簡(jiǎn)單、客觀(guān)、寬松，不計較論文產(chǎn)出，不計較一時(shí)勝敗，團隊成員的績(jì)效薪酬一般高于同等科技人員。

　　特別是，我們一直在弘揚科學(xué)家精神，培養家國情懷，所領(lǐng)導帶頭做淡泊名利、無(wú)私奉獻的表率，將“官兵一致同甘苦、革命理想高于天”的長(cháng)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：這項研究工作被認為是基礎研究領(lǐng)域“從0到1”的原創(chuàng )性突破，請問(wèn)在您看來(lái)，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研究，而是需求導向、問(wèn)題導向、目標導向的基礎研究，開(kāi)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(guò)程，解決了生物功能從虛擬到現實(shí)、人工途徑生物進(jìn)化、生化反應能量傳遞等科學(xué)難題，體現了學(xué)習自然、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化的新技術(shù)路線(xiàn)，雖然從實(shí)驗室到工業(yè)化應用還面臨眾多的科技挑戰，但孕育了巨大的產(chǎn)業(yè)變革新機。對于把二氧化碳資源化轉變?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(lái)二氧化碳到淀粉的人工合成技術(shù)如果具有經(jīng)濟可行性，工業(yè)車(chē)間制造淀粉將會(huì )實(shí)現，與農業(yè)種植相比，可以節省超過(guò)90%的土地和淡水資源，并且消除化肥和農藥對環(huán)境的負面影響，必將帶來(lái)一場(chǎng)新的產(chǎn)業(yè)變革，對于保障糧食安全、促進(jìn)社會(huì )經(jīng)濟可持續、高質(zhì)量發(fā)展具有重大戰略性意義。