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合成淀粉工程模型。

合成淀粉样品。

碘变蓝的人工合成淀粉。

合成淀粉工程试验平台。

除标注外，本版图片均由天津工人提供。

■本报记者 刘如楠。

从中国科学院天津工业生物技术研究所(以下简称天津工业生物技术研究所)出发，一路往东南走4000米，将来到一个充满“魔力”的地方。

这是一个工程测试平台，各种仪器放置紧凑，测试装置轰隆作响。不久之后，发酵罐中由二氧化碳合成的甲醇会与特定的生物催化剂酶反应，最终变成一管白淀粉。

2021年9月24日，天津工生所在国际上首次实现了从二氧化碳到淀粉合成的重大突破，相关成果在《科学》网上公布。2022年底，它迈出了从实验室到生产线的关键一步，目前正在进行测试。

先“从0到1”，再“从1到10”，天津工生所在解决人类发展面临的粮食问题时，坚定不移，稳步前进。

1 有可能用“空”制作淀粉吗？

淀粉作为一种重要的聚合物碳水化合物，是农业文明的核心产品，为人类提供生存所需的热量。农业种植是一万多年来生产淀粉的唯一途径。

但是，植物光合作用能量效率低，生长周期长，可能会导致粮食安全问题。为此，科学家们探索了杂交育种、模块育种、分子育种等方法，并建立了人工光合系统。

“这些都没有脱离植物本身的固碳模式，就像跑得再快，本质上还是靠脚。能不能跳出这个模式，直接造一辆‘车’，把粮食生产送到快车道？“2014年一天，天津工生所创始主任、二氧化碳合成淀粉项目首席科学家马延和在从北京回天津的高铁上这样想。

天津工生研究所作为一家致力于工业生物发展的科研机构，一直追求在工业车间培育生物体、生产农业物质的重要目标，即实现“农业工业化”。

在天津工学生举行的一次研讨会上，马延和继续敞开心扉：“我们只是模仿植物，合成一个细胞，让它利用空气中的二氧化碳合成所需的物质。那才是真正的‘凭空制造，随心所欲’！”。

经过仔细的论证，我们一致认为合成细胞太难了，但我们可以尝试在细胞外使用二氧化碳合成淀粉。

马延和表示，当今世界正面临着气候变化、粮食安全、能源资源短缺、生态环境污染等一系列重大挑战，科技工作者肩负着重任。二氧化碳转化利用与粮食淀粉工业合成是应对挑战的重大科技问题之一。

2015年1月，来自明尼苏达大学的天津工业研究所副研究员蔡涛接到马延和的电话：“该研究所计划做凭空制作淀粉的项目。”。

“凭空制造？这可能吗？蔡韬很惊讶，也很兴奋。当时，他已经加入天津工生学院两年多了。2014年5月，他以“以应用为导向的基础研究”的理念，从传统生物学转向合成生物学研究，出国留学。

蔡涛觉得这个项目意义重大，但他心里一直在打鼓，怎么做，能不能做。

初步调查结果不容乐观。听说这个想法，就连该领域的知名专家也纷纷摇头。“植物光合作用已经存在了十多亿年，到目前为止还没有完全了解系统机制。你能从头合成吗？”。

每个人的质疑都不是不合理的。没有人做过这件事，翻遍了国内外所有的文献，也找不到任何关于合成路径、研究方法的线索。

"可以转头想想，植物能做什么，我们怎么能不做呢？马延和说，当时天津工生学院已经实现了人参、天麻、红景天等一批药用经济植物有效成分的异源细胞合成，为糖、肉、油、蛋白等设计了一条新的生物合成路线，在改变传统耕作模式方面积累了大量积累。

2 创新组织模式，科研建制化。

2016年1月1日，中国科学院重点部署项目“二氧化碳人工生物转化”正式批准。本项目由天津工人负责，旨在有效利用化学能、光能、电能等能量形式，将二氧化碳转化为复杂的有机物，并分配部分资金进行“二氧化碳合成淀粉”的初步探索。

与许多依赖项目领导负责制的科研组织模式不同，二氧化碳合成淀粉项目从一开始就采用了“总体研究部-特色研究小组-平台实验室”的三维科研组织模式。

总体研究部负责浓缩重大科技任务，围绕工程生物学重大科学问题和生物产业关键核心技术确定研究目标。一旦项目获得批准，高级研究员将担任首席科学家，并在全社会甚至全社会聘请“项目经理”。

随后，二氧化碳合成淀粉项目组在马延和、天津工业学院时任助理主任王钦红的指导和帮助下，根据项目目标简化问题，分解任务，招募并组织精英团队共同解决关键问题。

项目成立之初，除马延和、王钦红、蔡韬外，只有4名主要技术人员负责实验技术工作。在三年的周期内，他们只做这个项目，如有必要，联系内外科研团队合作。

项目正式启动时，团队成员感到压力很大。在植物的自然反应中，淀粉的合成和积累涉及约60步的代谢反应和细胞器之间的运输。必须简化工业生产，确保反应充分准确。

为此，该团队与天津工业研究所研究员马红武合作，开发了一种新的算法，系统地挖掘和筛选了6568个生化反应中的合成路径，并计算了最短的合成路径。

这种方法有9个主反应步骤，大致是先进行化学反应，利用高密度电/氢能将二氧化碳还原为碳一化合物，然后进行生物反应，将碳一化合物聚合成碳三化合物、碳六化合物(即葡萄糖)，直到长链淀粉分子。

但这只是一种理论上的虚拟方式，必须转化为现实。

3 三年攻关战，初现“淀粉蓝”。

虽然项目的难度早已预测，但在实验开始后，困难仍然超出了每个人的想象。

最突出的问题之一是酶。每一步的反应都需要酶的参与，许多酶的组合在现实中从未出现过。

与“一把钥匙开一把锁”不同，同一种酶往往会催化多种反应，从而带来“副作用”。有时，一个底物被多种酶竞争，导致后面的酶没有底物可用；有时，它与不需要结合的底物“一拍即合”，但对需要结合的底物“几乎没有兴趣”。

长期以来，团队成员一直在与这些酶“斗智斗勇”。他们与天津工学院最擅长新酶设计的研究员江会峰团队合作，最擅长酶进化改造的研究员朱雷蕾团队，定向改造现有酶，或从零开始设计新酶，创建非天然人工酶，解决酶组合优化问题。

2018年，为期三年的项目即将结束。该团队已经实现了从碳化合物到淀粉的合成，但它被困在从二氧化碳到碳化合物的还原反应的前一步。

当时有两条路径可供选择。一是将二氧化碳转化为甲酸，再将甲酸转化为甲醛；二是将二氧化碳转化为甲醇，然后将甲醇转化为甲醛。但无论哪种方式，反应中获得的甲醛量都不足以支持后续反应。

在那些日子里，团队成员变得非常敏感，怀疑他们所做的每一步，猜测溶液添加错误，剂量不准确，或者犯其他低级错误。然而，经过不断的重复，他们不得不面对的事实是，操作没有错误，反应无法推进。

蔡涛不记得有多少次与马延和、天津工业研究所研究员游春讨论甲醛反应。在不断的讨论中，他逐渐找到了利用甲醇中“氢燃烧”产生的能量驱动甲醛反应的想法，解决了甲醛反应中的热力学匹配问题。

2018年7月24日下午，蔡涛正准备在实验室楼上的会议室参加中国科学院重点项目阶段评审会议，突然收到实验室技术人员的照片。照片中，三根试剂管并排，添加最新试验产品的中间试剂管中的碘溶液呈淡蓝紫色，与左右两侧的无色试剂管和深蓝色试剂管相比明显。

蔡韬立即打电话确认，得到肯定回复后仍不放心，一路小跑回实验室。直到亲眼看到试剂管，他才忍不住喊道：“太好了！制造路径终于全线开通了！”。

那一天，大家的脸变得严肃了好几天，挂满了笑容。蔡韬立即向马延和报喜，“这真是我见过的最美的颜色”。

到目前为止，二氧化碳从头合成淀粉终于实现了“从0到1”，合成产量达到30毫克/升。

4 寻找合作，迎接高光时刻。

项目团队没有停下来，而是决定继续进行后续研究，与酶“死敲”，提高合成率和产量。

在接下来的几个月里，他们解决了中限速酶活性低、辅因子抑制、三磷酸腺苷等问题（atp）竞争等难题。

2018年底，中国科学院重点部署了“二氧化碳人工生物转化”项目。项目团队将淀粉合成产量提高8倍，达到200-300毫克/升，远远超过项目初始目标。这意味着二氧化碳合成淀粉项目迎来了2.0时代。

“从最初的‘盲目自信’，到被各种困难打击到谷底，再到逐渐做出1.0、2.0版，大家的信心一点点建立起来。”蔡韬说。

2019年6月24日，在马延和的指导下，蔡涛和江会峰来到中国科学院大连化学物理研究所（以下简称大连化学研究所）寻求合作。

当时，中国科学院院士、大连化学研究所研究员李灿团队已经深耕20多年，实现了绿氢电解水和二氧化碳合成甲醇。若该路径能与二氧化碳合成淀粉的生物反应路径耦合，则可能取得新的突破。

听了项目团队的介绍，李灿表现出极大的兴趣，两队一拍即合。

后来，项目团队将李灿团队合成的甲醇带回天津工人研究所实验室进行后续合成淀粉实验，发现反应率与商业甲醇完全正常。

进一步采用反应时空分离策略，解决化学与生物反应不兼容的问题，建立生化级联反应系统。项目团队将淀粉合成产量提高17倍，达到1.6克/升，实现不同类型淀粉的可控合成。

3.0版二氧化碳合成淀粉出现，这种人工淀粉合成率明显超过玉米淀粉合成率。

2021年9月24日，《科学》杂志在网上发表了这一成果，团队6年的技术攻关终于换来了丰硕的果实。

“二氧化碳合成淀粉”成果公布后，突然引爆了学术界和社会舆论，迅速成为热门话题。

国内外专家表示，这一结果是“从0到1的典型原创突破”；是扩大和提高人工光合作用能力前沿研究领域的重大突破，具有“不屈不挠”的重要意义；它不仅对未来的农业生产产生了革命性的影响，尤其是粮食生产，而且对全球生物制造业的发展也具有里程碑意义。

5 全力降低成本，促进产业化。

论文发表后的那天早上，团队成员的手机响了起来。寻求合作的研究团队、生物技术公司和咨询公司除了媒体报道和同行祝贺外，也纷纷涌现。随之而来的是人们对这一成就产业化的期待和质疑。

在信息漩涡的中心，蔡涛兴奋、紧张、担心，心中五味杂陈。“当时整个人都很蒙，没想到会引起这么大的关注。”。

如何做后续的科研？敢做产业化吗？若进行工程测试，投入巨大，万一失败怎么办？当每个人都走到新的岔路口时，他们必须做出选择。经过深思熟虑，项目团队终于下定决心去做！

“工业化是我们最初的理想和最终的目标。初期爬坡那么难，走到一半却不走，怎么甘心呢？"马延和说。

2022年8月，天津工人研究所成立人工合成淀粉研究中心（以下简称淀粉中心），加快人工合成淀粉工程的应用，促进粮食成分车间的制造，重点解决工业化应用背后的前沿基础科学和应用基础科学问题。

淀粉中心仍采用三维科研组织模式，按照整体研究部机制运行，为研究所层面提供稳定的支持和包容失败的科研环境，培养愿意坐在“板凳”上的核心研发团队。

“早期实践表明，三维科研组织模式可以有效克服科研的碎片化问题，充分发挥不同学科的优势，整合科研机构和企业的研发优势，有效协调解决关键问题，充分发挥系统化和制度化的优势。"马延和说。

目前淀粉中心已聚集约20人的精锐力量，未来将增加到30人左右。

2022年底，二氧化碳合成淀粉工程试验平台建成，100升级吨级试验装置启动试验。这意味着整个合成路径首次走出实验室，进入生产线，科研团队正式朝着“从1到10”的目标迈进。

“人工合成淀粉关键技术与应用”项目与测试平台建成一起获得中国科学院战略先导技术专项支持的好消息是。马延和说:“这让我们的研究人员再次充满信心和信心。”。

如今，科研团队的主要目标是“降低成本”，核心问题仍然是酶。他们希望不断提高酶的反应效率，使昂贵的酶能够回收利用。同时，努力寻找和解决反应规模扩大后可能出现的效率阻塞、堵塞、相互抑制等问题，不断改进工艺流程。

马延和期望将淀粉合成成本降低到与农业种植相当甚至更低的水平。“这将节省90%以上的耕地和淡水资源，避免农药和化肥对环境的负面影响，缓解农业压力，促进碳中和生物经济的发展。”。

前面的路还很长。如今，人工合成淀粉科研团队更加坚信：路虽远，行则即将到来；事虽难，做则必成。