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淀粉是人類糧食的最主要成分,。日前,，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所科研人員在淀粉人工合成方面取得重大突破性進展,，利用二氧化碳和電解產(chǎn)生的氫氣合成淀粉,。這意味著，不需要種植農(nóng)作物,，直接在生產(chǎn)車間中制造淀粉成為可能,。

糧食不需要土地種植，可以在生產(chǎn)車間中制造出來,。如今,，這個看似天方夜譚的想象正在成為可能。

日前,，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所（以下簡稱“天津工業(yè)生物所”）在淀粉人工合成方面取得重大突破性進展,，在國際上首次在實驗室實現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的從頭合成。該成果于北京時間9月24日在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》,。

“這也意味著,，我們所需要的淀粉，今后可以將二氧化碳作為原料,，通過類似釀造啤酒的過程,，在生產(chǎn)車間中制造出來?！碧旖蚬I(yè)生物所所長馬延和說,。

將二氧化碳還原生成甲醇，再轉(zhuǎn)化為淀粉

淀粉是人類糧食的最主要成分,，同時也是重要的工業(yè)原料,。目前淀粉主要由農(nóng)作物通過光合作用，將太陽光能,、二氧化碳和水轉(zhuǎn)化而成,。

長期以來，科研人員一直在努力改進光合作用這一生命過程,，希望提高二氧化碳和光能的利用效率,，最終提升淀粉的生產(chǎn)效率。

這次,，天津工業(yè)生物所的科研人員就成功創(chuàng)制了一條利用二氧化碳和電解產(chǎn)生的氫氣合成淀粉的人工路線,。這條路線涉及11步核心生化反應(yīng),，淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。

從能量角度看,，光合作用的本質(zhì)是將太陽光能轉(zhuǎn)化為淀粉中儲存的化學(xué)能。因此,，將光能高效地轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能并儲存下來成為關(guān)鍵,。

“我們想到了光能—電能—化學(xué)能的能量轉(zhuǎn)變方式?！碧旖蚬I(yè)生物所副所長王欽宏說：“首先,，光伏發(fā)電將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽ㄟ^光伏電水解產(chǎn)生氫氣,；然后,，通過催化劑利用氫氣將二氧化碳還原生成甲醇，將電能轉(zhuǎn)化為甲醇中儲存的化學(xué)能,。這個過程的能量轉(zhuǎn)化效率超過10%,，遠超光合作用的能量利用效率?！?/span>

自然界中并不存在甲醇合成淀粉的生命過程,。王欽宏說：“要想人工實現(xiàn)這個過程，關(guān)鍵是要制造出自然界中原本不存在的酶催化劑,?！?/span>

科研人員挖掘和改造了來自動物、植物,、微生物等31個不同物種的62個生物酶催化劑,，最終優(yōu)中選優(yōu)，使用10個酶逐步將甲醇轉(zhuǎn)化為淀粉,。這種路徑不僅能合成易消化的支鏈淀粉,，還能合成消化慢、升糖慢的直鏈淀粉,。

“也許在不久的將來,，不需要種地，也能夠滿足我們對碳水化合物的需要,?！蓖鯕J宏說。

在人工合成途徑構(gòu)建上實現(xiàn)跨越式突破

不依賴植物光合作用,、人工合成碳水化合物,，一直是世界各國科學(xué)家的夢想。此前,，華人科學(xué)家楊培東曾帶領(lǐng)團隊利用聚糖反應(yīng)成功將二氧化碳轉(zhuǎn)化為多種單糖混合物,。

“但是,，他們還尚未實現(xiàn)復(fù)雜碳水化合物的人工定向合成?！碧旖蚬I(yè)生物所副研究員蔡韜說：“也就是說,，他們的路線方法合成的是多種簡單糖類化合物的混合物，還很難定向到其中的一種,?！?/span>

專家介紹，淀粉高效人工合成的挑戰(zhàn)主要來自低密度太陽能到高密度電能和氫能,，低濃度二氧化碳到高濃度二氧化碳,，以及復(fù)雜合成途徑到簡單合成途徑3個方面。此前,，在眾多科研人員的努力下,，前兩個問題已基本得到了解決。

“這次,，我們主要在人工合成途徑構(gòu)建方面實現(xiàn)了跨越式突破,。”馬延和說,。

他介紹,，一是跨越了人工途徑進化的鴻溝?？朔瞬煌瑏碓?、不同遺傳背景的生物酶之間熱力學(xué)與動力學(xué)不匹配等瓶頸，二氧化碳到淀粉的碳轉(zhuǎn)化速率和效率顯著提升,；二是跨越了從虛擬到現(xiàn)實的鴻溝,。團隊用計算機可以設(shè)計出很多條合成途徑，通過各種模塊的組裝和適配,，最終篩選出了符合條件的路徑,，實現(xiàn)了人工淀粉合成。

“經(jīng)過分析鑒定,，我們合成的淀粉樣品無論成分還是理化性質(zhì),，都和自然生產(chǎn)的淀粉一模一樣?！辈添w說,。

據(jù)科研團隊介紹，在充足能量供給的條件下,，按照目前的技術(shù)參數(shù)推算,，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畝土地玉米種植的平均年產(chǎn)量。

馬延和說：“這一成果使淀粉生產(chǎn)的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植模式向工業(yè)車間生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變成為可能，并為二氧化碳原料合成復(fù)雜分子開辟了新的技術(shù)路線,?！?/span>

創(chuàng)新科研組織模式，讓不同專長的團隊協(xié)同攻關(guān)

專家預(yù)計,，如果未來該系統(tǒng)過程成本能夠降低到可與農(nóng)業(yè)種植相比的經(jīng)濟可行性,，將可能會節(jié)約90%以上的耕地和淡水資源，避免農(nóng)藥,、化肥等對環(huán)境的負面影響,，提高人類糧食安全水平，促進碳中和的生物經(jīng)濟發(fā)展,。

重大原創(chuàng)性突破的背后，除了科研團隊多年的努力和堅持之外,，科研組織模式的創(chuàng)新功不可沒,。

天津工業(yè)生物所自2015年起，聚焦人工合成淀粉與二氧化碳生物轉(zhuǎn)化利用,，開展需求導(dǎo)向的科技攻關(guān),，集聚所內(nèi)外創(chuàng)新資源，加強“學(xué)科—任務(wù)—平臺”整合,，實現(xiàn)各方科研力量的有機融合和高效協(xié)同,。研究所根據(jù)項目研究需求進行人才布局，組建了當(dāng)初平均年齡30周歲的優(yōu)秀青年科學(xué)家團隊,。

傳統(tǒng)科研模式一般以課題組為單元進行,，優(yōu)勢是能夠集中在一個領(lǐng)域方向，但不是所有的研究項目都適合這樣的模式,。

馬延和說：“比如,，我們這個項目是一個多領(lǐng)域多方向交叉的工作，這就需要將具備不同專長的人和團隊組織起來,，協(xié)同合作才能夠完成,，傳統(tǒng)科研模式顯然不太適合?！?/span>

根據(jù)項目特點,，研究所創(chuàng)立了新的科研組織模式，即三維管理模式,。

“三維管理模式,，具體來說就是所里統(tǒng)一撥付經(jīng)費，設(shè)立總體研究部,、研究組和平臺實驗室,。”蔡韜說：“總體研究部負責(zé)項目矩陣管理,；研究組是根據(jù)領(lǐng)域方向和學(xué)科布局設(shè)置的特色學(xué)科組,，實現(xiàn)專業(yè)分工,；平臺實驗室則負責(zé)為項目提供裝備方法支撐?！?/span>

“在這種新模式下,，要實現(xiàn)哪一步目標(biāo)、需要哪些人來做哪些任務(wù),，我們在整個項目層面都會事先進行具體分析,。”蔡韜說,，“比如,，途徑設(shè)計就是由所里生物設(shè)計中心科技組來負責(zé)，總體研究部通過任務(wù)分解,，將相關(guān)研究任務(wù)定向委托給他們,。簡單來說，這個模式更容易實現(xiàn)專業(yè)的人做專業(yè)的事,，全預(yù)算的方式也能夠保證團隊一直穩(wěn)定地做這一件事,。”

項目實施過程中,，也會對承擔(dān)分任務(wù)的科研團隊進行嚴(yán)格考核,。通不過考核的團隊，則由新的團隊替換來重新完成任務(wù),。

“整個項目過程中,，共有十多個小團隊參與?！辈添w說,，“不同團隊聚在一起，為一件事,、一個目標(biāo),、一個任務(wù)共同努力，協(xié)同攻關(guān),，最終實現(xiàn)了原創(chuàng)性重大突破,。”