二氧化碳人工合成淀粉，这听上去像是个天方夜谭的事情。但近日，位于滨海新区的中国科学院天津工业生物技术研究所（以下简称“天津工业生物所”）在淀粉人工合成方面取得重大突破性进展，在国际上首次实现从二氧化碳到淀粉的从头合成，相关成果已发表于国际学术期刊《科学》。二氧化碳变淀粉如何实现？这项人工合成淀粉技术有何意义？何时能走向应用？带着这些问题，记者近日走进天津工业生物所，去揭开这项被誉为“从0到1原创性突破”技术的秘密。
合成淀粉“诞生日”
“这就是我们合成的人工淀粉。”在天津工业生物所总体研究部实验室，天津工业生物所科研助理孙红兵拿着一个15毫升离心管展示淀粉样品。管中的样品呈粉状，量并不多，零星散落在试管内。
别看淀粉样品不起眼，它的“诞生”充满曲折。“现在回想起来，我的心情依旧激动。2018年7月24日，我添加碘液后，试剂第一次呈现蓝色。虽然颜色很浅，但也证明了淀粉的存在。”天津工业生物所科研助理乔婧表示，尽管经历了数百次类似的实验，但整个科研团队之前从未见过人工合成下的“淀粉蓝”。
“淀粉有个遇碘变蓝的典型反应。我们尝试不同的组合，进行了数百次实验。每次加完碘都满怀期待，但结果却令人失望。这一天实验突然成功，证明了我们实验路径的正确性。”该项成果论文第一作者、天津工业生物所副研究员蔡韬也清晰地记得那一天。
蔡韬说，从事科研工作最大的困难就是新技术没有前人研发过，没有工作经验可以借鉴，“实际上，仅‘淀粉蓝’的出现，我们就花了两年多的时间才实现，来证明这条路径是可行的。”
针对人工合成的淀粉与普通淀粉有何不同，蔡韬解释称，合成淀粉与自然界的淀粉相比，实验得到的核磁结果是一模一样的，合成淀粉实际上与自然界的淀粉是没有区别的。
“搭积木”构建新合成路径
人工合成淀粉是科技领域的一项重大课题。天津工业生物所这项颠覆性技术的突破点是什么？“我们挖掘与改造了31个不同物种的62个生物酶催化剂，最终优中选优，让这些酶组合实现复杂的代谢功能。通过调和酶的作用，使它们的反应形成一个有序、高效的过程。”看似简单的背后，是蔡韬与同事们在6568个生化反应中设计形成固碳与人工合成淀粉新路径。
当然，突破技术瓶颈离不开顶层设计。据了解，研发团队采用一种类似“搭积木”的方式，从头设计构建了11步主反应的非自然固碳与淀粉合成路径，在实验室中首次实现从二氧化碳到淀粉分子的全合成。蔡韬说：“借鉴程序开发思路，团队‘搭积木’式地把整套路径分成4个模块，每个模块都有各自的功能，然后把模块再组合起来。如果单个模块功能有问题，我们会进行替换，从而一步步完成整体设计。”
同时，天津工业生物所聚焦人工合成淀粉与二氧化碳生物转化利用，开展以需求为导向的科技攻关，集聚所内外创新资源，加强“学科—任务—平台”整合，实现各方科研力量的有机融合和高效协同。天津工业生物所根据项目研究需求进行人才布局，组建优秀青年科学家团队，充分发挥各成员学科优势与技术特色优势。
据了解，在整体技术攻关中，除天津工业生物所外，本市部分高校、研究所等更多“天津力量”也参与其中。蔡韬表示，希望未来能与更多相关科研机构开展合作，推动项目攻关。
“从1到100”面临诸多挑战
据介绍，按照目前技术参数推算，在能量供应充足的情况下，理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于5亩土地玉米种植的淀粉年平均产量。
蔡韬坦言，目前该成果尚处于实验室阶段，与实际应用还有相当长的距离，“真正实现以二氧化碳为原料工业制造淀粉，依然任重而道远。”
“‘从0到1’的突破，它的意义是我们首次在实验室中实现从二氧化碳到淀粉的人工全合成，意味着淀粉生产从传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能。‘从1到10’的突破，我们将围绕该系统开展持续的技术攻关，进一步提高效率。‘从10到100’的突破，我们将推进产业化示范和应用。”蔡韬介绍说，“从1到100”的突破中将有更多挑战，涉及诸多技术攻关。
目前，天津工业生物所正在牵头建设国家合成生物技术创新中心。科研团队将继续攻克淀粉合成人工生物系统设计、调控等底层科学难题，并推动成果走向产业应用，未来让人工合成淀粉的经济可行性接近农业种植。
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