合成淀粉讓人產(chǎn)生無盡美好想象 未來將大有可為

“脫離光合作用、植物和土壤，中國科學(xué)家以二氧化碳為原料直接人工合成了淀粉……”近日，中國科學(xué)院召開新聞發(fā)布會介紹了這一激動人心的科研成果，論文也在權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上發(fā)表。在努力實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的當(dāng)下，合成淀粉讓人們產(chǎn)生了無盡美好的想象，甚至有網(wǎng)友驚呼：“‘喝西北風(fēng)’將來可不再是一句笑話了。”

雖然從實驗室走向工廠還有漫漫征途，但人工合成淀粉仍然是具有突破性和原創(chuàng)性的重大科研成果，其背后是在全球方興未艾的合成生物學(xué)。中國科學(xué)院院士鄧子新告訴記者，合成生物學(xué)是生命科學(xué)領(lǐng)域的一門新興工程科學(xué)，其實質(zhì)是在工程學(xué)思想指導(dǎo)下，按照特定目標(biāo)理性設(shè)計、改造乃至從頭重新合成生物體系，通過構(gòu)造人工生物系統(tǒng)來研究生命科學(xué)中的基本問題，應(yīng)對人類面臨的重大挑戰(zhàn)，因此，它被多國認(rèn)為是未來的顛覆性科學(xué)技術(shù)。

目前，國內(nèi)外合成生物學(xué)正在創(chuàng)造越來越多的科技成果。多位專家學(xué)者告訴記者，在合成生物學(xué)領(lǐng)域，中國幾乎每隔幾個月都會有比較重大的科研成果誕生。淀粉之后，我們或?qū)⒂瓉砀嘈碌?ldquo;合成”。

重大突破：

“從最原始的地方開始做”

眾所周知，淀粉是糧食最主要的成分，通常由農(nóng)作物通過自然光合作用固定二氧化碳生產(chǎn)。自然界的淀粉合成與積累，涉及60余步生化反應(yīng)以及復(fù)雜的生理調(diào)控。

中科院的新聞發(fā)布會介紹，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所研究員馬延和帶領(lǐng)團隊，采用一種類似“搭積木”的方式，從頭設(shè)計，構(gòu)建了11步反應(yīng)的非自然固碳與淀粉合成途徑，在實驗室中首次實現(xiàn)從二氧化碳到淀粉分子的全合成。經(jīng)核磁共振等檢測發(fā)現(xiàn)，人工合成淀粉分子與天然淀粉分子的結(jié)構(gòu)組成一致。

實驗室初步測試顯示，人工合成淀粉的效率約為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)淀粉的8.5倍。在充足能量供給的條件下，按照目前技術(shù)參數(shù)，理論上1立方米大小的生物反應(yīng)器年產(chǎn)淀粉量相當(dāng)于我國5畝玉米地的年產(chǎn)淀粉量。

馬延和的科研突破，在我國科學(xué)圈引起熱議。清華大學(xué)化學(xué)工程系教授陳國強告訴記者：“人工合成淀粉是具有很大突破性的科學(xué)進展，其突破性在于淀粉的合成工作全是在細(xì)胞外進行。以往，像淀粉這樣比較復(fù)雜的化合物的聚合一般是需要在細(xì)胞內(nèi)完成。馬延和團隊首次把所有試驗操作放到細(xì)胞外，這是重大突破，也是一個非常典型的合成生物學(xué)成功案例。除了淀粉在細(xì)胞外合成，他們同時構(gòu)建了完整的代謝路徑，利用細(xì)胞外的酶來促進其反應(yīng)，這是很好的突破。”

中科院合成生物學(xué)重點實驗室主任覃重軍教授同樣不吝溢美之詞，他表示：“人工合成淀粉肯定是一項重大科學(xué)突破，雖然還不是諾獎級的，但仍然有其獨創(chuàng)性和震撼性。目前，我國合成生物學(xué)領(lǐng)域的成果大大小小都有，但達(dá)到像人工合成淀粉這樣震撼的還不多。人工合成淀粉是概念性和原創(chuàng)性的突破，確實非常難得。以往大多數(shù)的科研突破是屬于延展性的，科學(xué)的框架已經(jīng)定了，科研人員只是順著路徑往前走，但合成淀粉屬于概念性的突破，它從最原始的地方開始做，這是和其他一些科研性質(zhì)上的不同。”

從實驗室到工廠：

“可能要窮盡科學(xué)家一生”

盡管在實驗室內(nèi)取得成功，但專家們坦言，目前人工合成淀粉從實驗室走向工廠仍是“路漫漫其修遠(yuǎn)兮”。

中科院副院長周琪表示，人工合成淀粉成果目前尚處于實驗室階段，后續(xù)需盡快實現(xiàn)從“0到1”概念突破到“1到10”的轉(zhuǎn)換。

覃重軍告訴記者：“這種成果從實驗室走進工廠的距離是驚人的，人工合成淀粉只是初步把路徑走通了，但還要考慮到成本核算的問題，目前看，成本降到能和自然PK還很難，這可能需要窮盡科學(xué)家一生去努力。”

覃重軍說：“在科研領(lǐng)域，概念性的突破是可以的，這就和治療癌癥一樣，技術(shù)一直在不斷進步，患者的壽命得到延長，但還沒好到治愈的程度。從學(xué)術(shù)到應(yīng)用將是一個不斷努力的過程，應(yīng)用肯定要涉及成本問題。‘用一個1立方米的罐子生產(chǎn)淀粉，5畝玉米地就可以不用種了’是一個愿景，現(xiàn)在還遠(yuǎn)遠(yuǎn)做不到，未來有可能實現(xiàn)?？茖W(xué)的突破從理論的突破再到實際應(yīng)用，都是比較遠(yuǎn)的。任何科學(xué)的進步總是在不斷累積當(dāng)中實現(xiàn)的，一有科學(xué)突破就要馬上應(yīng)用，這本身也是不科學(xué)的。”

陳國強則表示：“未來人工合成淀粉的挑戰(zhàn)在于細(xì)胞外合成考驗各種酶的穩(wěn)定性。如何做好各種酶的分離純化，酶如何在細(xì)胞外保持活性，如何應(yīng)對合成中的每一步后酶的活力下降……這些問題都需要在細(xì)胞外得到解決。合成淀粉的步驟較多，目前成本是很高的，也是工業(yè)化不能接受的。”

陳國強接著說：“合成淀粉的另一個難題，是隨著分子量的不斷上升，葡萄糖不斷被整合在高分子淀粉鏈上，黏度會越來越大，聚合的難度也會越來越高，人工合成淀粉也將可能聚合不到分子量特別高的淀粉。從分子量的角度看，人工合成淀粉和常見的淀粉還有一段距離。這些問題都是要在今后的工作中予以解決的。但無論怎樣，僅僅是能在細(xì)胞外人工合成出葡萄糖，就已是一項很偉大的工作了。”

合成生物學(xué)：

“非天然但優(yōu)于天然”

而人工合成淀粉的背后，是國內(nèi)外合成生物學(xué)近年來的突飛猛進。

中國科學(xué)院院士鄧子新告訴記者：“基于基因的生命科學(xué)經(jīng)歷了3次革命，而今人類進入生物體系的工程化，合成生物學(xué)開始以用途為導(dǎo)向，工程化為理念，對生物學(xué)進行全視角、多維度的研究，這是一個學(xué)科高度集成，堪比機械工程和土木工程的學(xué)科，科學(xué)家人工設(shè)計構(gòu)建新的生命系統(tǒng)，使得它具有非天然但優(yōu)于天然的功能。”

鄧子新介紹，目前我國已經(jīng)利用生物合成技術(shù)研發(fā)出了藥物，“我國原來沒有維生素e的生產(chǎn)廠商，只能通過進口;而今通過生物合成技術(shù)制造出了維生素e,我國也一躍成為維生素e的生產(chǎn)大國。生物合成一舉打破了國外化學(xué)合成的復(fù)雜程序，成本很低，過程很安全，投資也少，效率很高，各個方面都有很大的改進。”

鄧子新堅信，未來像維生素e這樣的例子一定會層出不窮，“傳統(tǒng)的化學(xué)合成生產(chǎn)會產(chǎn)生一些有毒的衍生物，利用合成生物學(xué)，不僅成本更低而且更環(huán)保和安全。未來，合成生物學(xué)一定大有作為。”

他還表示，“合成生物學(xué)實際就是把產(chǎn)品生產(chǎn)的基因搞清楚以后，‘勸說’某種微生物成長為某一種自然界內(nèi)并不產(chǎn)生的化合物，使得它具有比天然化合物更優(yōu)良的效應(yīng)。”

陳國強表示，合成生物學(xué)在國外的成果也有很多，最典型的例子是新冠肺炎疫情期間國外研制的mRNA疫苗。其基本原理是通過特定的遞送系統(tǒng)將表達(dá)抗原靶標(biāo)的mRNA導(dǎo)入體內(nèi)，在體內(nèi)表達(dá)出蛋白并刺激機體產(chǎn)生特異性免疫學(xué)反應(yīng)，從而使機體獲得免疫保護。“在新冠肺炎疫情之前，mRNA疫苗技術(shù)其實早已經(jīng)誕生了，但一直沒機會做臨床，因此該技術(shù)一直都停留在學(xué)術(shù)成就領(lǐng)域;面對疫情，這一技術(shù)終于可以做臨床，做出來的結(jié)果很理想?；趍RNA的技術(shù)，未來人類肯定還會發(fā)展出各種疫苗、抗癌藥品、抗體等。我覺得，這肯定是目前國外合成生物學(xué)中最成功的例子。”陳國強認(rèn)為，在中國，一些化合物、藥物的生物合成，單克隆抗體，酵母細(xì)胞中染色體的改造等都是合成生物學(xué)領(lǐng)域成功的案例。

“在合成生物學(xué)領(lǐng)域，學(xué)術(shù)成果和創(chuàng)新很多，但應(yīng)用都需要有契機以及一定時間的積累。mRNA疫苗的研究在國外實際已經(jīng)持續(xù)十幾二十年了，只是一直沒機會上臨床，直到疫情發(fā)生。”陳國強告訴記者。

探索與原創(chuàng)：

“有突破就意味著希望”

采訪過程中，幾位科學(xué)家均強調(diào)，科學(xué)上的偉大突破未必一定會在應(yīng)用上取得成功，但都讓人類向著真理更近一步。因此無論未來人工合成淀粉能否產(chǎn)業(yè)化落地，科學(xué)家都為人類找到了一條嶄新之路。

“獨創(chuàng)和震撼性的科學(xué)突破總是讓人激動的。”覃重軍告訴記者。2018年，覃重軍利用CRISPR技術(shù)創(chuàng)造出僅有一條染色體的酵母菌株。這項合成生物學(xué)的重大突破在《自然》雜志上發(fā)表。

陳國強表示：“任何一項科學(xué)技術(shù)從實驗室到工業(yè)的轉(zhuǎn)化，都需要時間和積累，其間也可能會犯很多錯誤。甚至很多科學(xué)技術(shù)的突破往往只能停留在科研上，并不一定能在短期內(nèi)在商業(yè)上取得成功。我們要把目光放長遠(yuǎn)一點，很多技術(shù)從實驗室到工廠常常要花幾代人的心血。”

他舉例說：“大家現(xiàn)在做核酸檢測利用的就是PCR技術(shù)，也叫做聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，之前科學(xué)家只知道能在細(xì)胞內(nèi)能實現(xiàn)這樣的反應(yīng)。直到某一天，一位科學(xué)家將這個反應(yīng)拿到細(xì)胞外做，他做成功了，就變成現(xiàn)在的PCR技術(shù)，從PCR發(fā)現(xiàn)到技術(shù)的應(yīng)用，經(jīng)歷了50余年的時間，如今整個生命科學(xué)領(lǐng)域都在利用PCR技術(shù)在做基因擴增、基因克隆。”

“只有很少數(shù)的科學(xué)是發(fā)現(xiàn)沒多久就可以應(yīng)用的。大家應(yīng)該耐心等待，它畢竟是突破，既然是突破，就能讓我們看到希望。這是很重要的事。”覃重軍告訴記者，“量子力學(xué)和相對論從最開始發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在已經(jīng)上百年了，目前應(yīng)用領(lǐng)域還不算多，但沒有人能夠否認(rèn)這項科學(xué)發(fā)現(xiàn)的偉大劃時代意義。”

(記者 武威)