时间: 2024-08-11 18:15:55 | 作者: 防水系列
當当代界面臨氣候變化、糧食安全、动力資源缺少等挑戰，怎么把二氧化碳轉化成對人類有意義且有市場價值的物質？人工组成澱粉項目便是其间一個嘗試。中國科學院天津工業生物技術研讨所於2018年實現項目打破，之后不斷進行技術迭代升級。现在，人工澱粉组成速率是玉米澱粉组成速率的8.5倍，並可根據需求實現不同類型澱粉的定向可控组成。
天津空港經濟區，中國科學院天津工業生物技術研讨所（以下簡稱“天津工業生物所”）內，研發人員喬婧正在重復每日的實驗流程。當一滴滴碘液被参加試管，喬婧忍不住愣住了：試劑變成了期待已久的顏色，“藍色雖然很淡，但這說明澱粉出現了！”回憶2018年的情形，喬婧仍然激動。
同樣激動的還有天津工業生物所人工组成澱粉項目經理蔡韜。他一度不敢確信，從會議室一路奔回實驗室，設計了重復實驗。第二天，“澱粉藍”按期出現，“太好了！”蔡韜懸著的心放了下來，笑脸弥漫在臉上，死后的搭档跟著拍手歡呼。
2021年，人工组成澱粉團隊在國際刊物《科學》雜志上發表了結合人工光合反應和生物酶催化反應構筑了從水和二氧化碳组成澱粉的新體系。“這是一項裡程碑式的打破，將鄙人一代生物制作和農業生產中帶來變革性影響。”審稿專家如此評價。
人工组成澱粉項意图由來，源於一次高鐵上的考虑。“當当代界面臨氣候變化、糧食安全、动力資源缺少等挑戰，怎么把二氧化碳轉化成對人類有意義且有市場價值的物質？”在出差回天津的高鐵上，這個念頭忽然出現在天津工業生物所時任所長馬延和的腦海中。經過所裡認真研判，人工组成澱粉項目在2015年正式提出。
接到攻關任務邀請時，蔡韜既興奮又擔憂，人工组成澱粉，理論上來說能够實現，但此前沒有成功事例，“我們想挑戰一下別人沒做成的事”。
在天然界，玉米、小麥、马铃薯等農作物通過光协作用將太陽光能、二氧化碳和水轉化成澱粉。但這個天然過程需求很多的土地和淡水資源，且受天氣影響很大。
“我們开始的思路是使用可再次出产的动力分化水產生電子或氫，然后使用電子或氫將二氧化碳還原為甲酸、甲醇等簡單化合物，進一步通過酶催化簡單化合物聚合生成澱粉。”蔡韜說，人工组成澱粉，是一場尋找“捷徑”的實驗。
在農作物中，澱粉的组成大約需求60步代謝反應。假如要進行工業化生產，就必須簡化步驟。蔡韜和團隊與所內擅長生物設計的團隊协作，從6568個生化反應中進行系統发掘和篩選，分別從甲酸或甲醇出發，設計了最短的人工澱粉组成路徑。理論上，二氧化碳僅通過9個主反應就能组成澱粉。“步數越少，問題就越少。”蔡韜說。
實驗一做便是3年，光是實驗記錄就摞了半人高，團隊成員的心境也跟著實驗過程不斷崎岖。
問題出在哪裡了？“就像河水斷流，要找出是上游阻塞還是河道分叉，澄清症結才能解決問題。”蔡韜說，實驗最杰出的問題是“酶”。澱粉组成過程中多數反應都需求酶，天然界中的反應路徑通過長期天然選擇進化而成，各個酶都能夠適配協作，但人工設計的反應路徑卻不同。
“同一個酶往往能催化多個反應，或许會帶來副作用﹔有時會出現多個酶競爭一個底物，還有的酶會產生多種產物。”為調和酶之間的“对立”，蔡韜找到所裡專門研讨酶的團隊，一同對酶進行定向改造或人工設計新酶，來滿足澱粉组成人工路徑對酶的需求。
討論、實驗、推翻、再討論、再實驗……團隊嘗試使用甲醇中“氫燃燒”產生的能量驅動產生甲醛的反應，解決反應中的熱力學與動力學不匹配的問題，9個主反應也相應被拓宽到11個。
科學的積累是漫長的，但打破有時仅仅一個瞬間。2018年7月24日上午，蔡韜收到團隊成員的一張圖片。打開后，蔡韜看到了那一抹夢寐以求的“藍”。
“現在來看，那仅仅人工组成澱粉1.0版别。”蔡韜說，這幾年團隊完成了人工组成澱粉技術的迭代升級，不斷进步澱粉组成產量，把澱粉的生產強度較1.0版别进步了136倍，人工澱粉组成速率是玉米澱粉组成速率的8.5倍，並可根據需求實現不同類型澱粉的定向可控组成。
在蔡韜看來，科研的最大成功是能夠落地應用，幫助增進社會福祉，“接下來，我們將加速讓科研成果從實驗室走向產業化應用的速度，讓技術造物繪就科技惠民新圖景。”蔡韜說。
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