憑“空”造淀粉，他們如何把夢想變為現實？

人工合成淀粉科研團隊

蔡韜（左）與技術人員討論。

人工合成淀粉工程化模型

人工合成淀粉樣品

人工合成淀粉遇碘變藍

人工合成淀粉工程化測試平臺。劉如楠/攝

從中國科學院天津工業生物技術研究所（以下簡稱天津工生所）出發，一路往東南走4000米，會來到一個充滿“魔法”的地方。

這里是一個工程化測試平臺，各類儀器緊湊安放，測試裝置轟隆作響。不久后，發酵罐里由二氧化碳合成的甲醇會與特定的生物催化劑——酶，一個接一個反應，最終化為一管管雪白的淀粉。

2021年9月24日，天津工生所在國際上首次實現二氧化碳到淀粉從頭合成的重大突破，相關成果在線發表于《科學》。2022年底，它又邁出從實驗室走向生產線的關鍵一步，建成噸級中試裝置，目前正在進行測試。

先“從0到1”，再“從1到10”，在解決人類發展面臨的糧食問題上，天津工生所矢志不渝、行穩致遠。

憑“空”造淀粉，這有可能嗎

作為一類重要的高分子碳水化合物，淀粉是農耕文明的核心產品，為人類提供了生存所需的熱量。1萬多年來，農業種植都是生產淀粉的唯一途徑。

然而，植物光合作用能量效率低、生長周期長，可能引發糧食安全問題。為此，科學家探索出了雜交育種、模塊育種、分子育種等辦法，還建立了人工光合系統。

“這些都沒有脫離植物本身的固碳模式，就像跑得再快，本質上還是依靠雙腳。能不能跳出這個模式，直接造一輛‘汽車’，把糧食生產送上快車道呢？”2014年的一天，在從北京回天津的高鐵上，天津工生所創始所長、二氧化碳合成淀粉項目首席科學家馬延和這樣思考。

作為致力于工業生物發展的科研機構，天津工生所一直以來追求一個重要目標——在工業車間培養生物體，并用其生產農業物質，即實現“農業工業化”。

在天津工生所召開的一次討論會上，馬延和繼續腦洞大開：“我們干脆模仿植物，合成一個細胞，讓它利用空氣中的二氧化碳合成所需物質。那才是真正的‘憑空制造、隨心所欲’！”

經過仔細論證，大家一致認為，合成細胞太困難，但在胞外利用二氧化碳合成淀粉或許可以試試。

馬延和表示，當今世界正面臨氣候變化、糧食安全、能源資源短缺、生態環境污染等一系列重大挑戰，科技工作者重任在肩。二氧化碳轉化利用與糧食淀粉工業合成，正是應對挑戰的重大科技問題之一。

2015年1月，還在美國明尼蘇達大學訪問交流的天津工生所副研究員蔡韜接到馬延和的電話：“所里正計劃做憑空制造淀粉的項目。”

“憑空制造？這可能嗎？”蔡韜很驚訝，又很興奮。當時他已加入天津工生所兩年多，抱著“做以應用為導向的基礎研究”的想法，從傳統生物學轉向合成生物學研究，并于2014年5月外出訪學。

蔡韜深感這個項目意義重大，但要怎么做、能不能做成，心里一直在打鼓。

前期調研結果不容樂觀。一聽說這個想法，即使是領域內的知名專家也紛紛搖頭。“植物光合作用已存在十幾億年，至今還未完全弄清楚系統機制，你們能從頭合成？”

大家的質疑不無道理。這是從沒有人做成的事，翻遍國內外所有文獻，也找不到任何關于合成路徑、研究方法的線索。

“可轉頭想想，植物能做的事，我們怎么就不能做？”馬延和說，當時天津工生所已經實現人參、天麻、紅景天等一批藥用、經濟植物有效組分的異源細胞合成，為糖、肉、油脂、蛋白等設計了生物合成的新路線，在變革傳統耕作模式方面已有了不少積累。

革新組織模式，科研建制化

2016年1月1日，中國科學院重點部署項目“二氧化碳的人工生物轉化”正式立項。這一項目由天津工生所負責，旨在通過高效利用化學能、光能、電能等多種能量形式，將二氧化碳轉化為復雜有機物，同時從中劃撥部分資金用于“二氧化碳合成淀粉”的前期探索。

與許多依賴課題組長負責制的科研組織模式不同，二氧化碳合成淀粉項目一開始便以建制化方式展開，采取“總體研究部-特色研究組-平臺實驗室”三維科研組織模式。

總體研究部負責圍繞工程生物學重大科學問題、生物產業關鍵核心技術，凝練重大科技任務，確定攻關目標。一旦立項，由資深研究員擔任首席科學家，并在全所甚至全社會范圍聘任“項目經理”。

隨后，在馬延和、天津工生所時任所長助理王欽宏等的指導幫助下，二氧化碳合成淀粉項目組根據項目目標凝練問題、分解任務，并面向全所招募和組織精銳團隊進行協同攻關。

立項之初，項目組除馬延和、王欽宏、蔡韜外，只有4位主要技術人員承擔實驗技術工作。在3年的周期內，他們只做這一個項目，如果有需要則聯系所內外科研團隊進行合作。

項目正式啟動時，團隊成員都感到壓力很大。在植物的自然反應中，淀粉合成與積累涉及約60步代謝反應和細胞器間運輸，要進行工業生產必須將其簡化，同時又要保證反應充分、精準。

為此，團隊與天津工生所研究員馬紅武合作，開發出全新的算法，并在6568個生化反應中，對合成路徑進行系統挖掘和篩選，計算出了一條最短的合成途徑。

這條途徑共有9步主反應，大致是先進行化學反應，利用高密度電/氫能將二氧化碳還原為碳一化合物，再進行生物反應，將碳一化合物聚合為碳三化合物、碳六化合物（即葡萄糖）直至長鏈淀粉分子。

但這只是一條理論的虛擬途徑，接下來必須將它轉為現實。

三年攻關戰，初現“淀粉藍”

雖然對項目難度早有預估，但實驗開始后，困難還是超出了大家的想象。

其中最突出的是酶的問題。每一步的反應都需要酶參與，可依照計算出來的途徑，許多酶的組合在現實中從未出現過。

不同于“一把鑰匙開一把鎖”，同一個酶往往能催化多個反應，這就會帶來“副作用”。有時，一個底物被多個酶競爭，致使后面的酶沒有底物可用；有時，它和不需要結合的底物“一拍即合”，卻對需要結合的底物“興趣寥寥”。

很長一段時間，團隊成員都在和這些酶“斗智斗勇”。他們與天津工生所最擅長新酶設計的研究員江會鋒團隊、最擅長酶進化改造的研究員朱蕾蕾團隊合作，對已有的酶進行定向改造，或是從頭設計新酶、創建非自然的人工酶，以解決酶的組合優化問題。

時間來到2018年，為期3年的項目即將結題，團隊已經實現了碳一化合物到淀粉的合成，卻卡在了前一步——從二氧化碳到碳一化合物還原反應中。

當時可選擇的路徑有兩條，一是將二氧化碳轉化為甲酸，再將甲酸轉化為甲醛；二是將二氧化碳轉化為甲醇，再將甲醇轉化為甲醛。可無論哪條路，反應得到的甲醛量都不足以支撐后續反應。

那段日子，團隊成員都變得異常敏感，懷疑自己做的每一個步驟，猜測是溶液加錯、劑量沒看準，還是犯了其他低級錯誤。然而不斷重復后，他們不得不面對的事實是，操作沒有錯誤，反應無法推進。

蔡韜已經記不清，當時有多少次與馬延和、天津工生所研究員游淳討論甲醛反應量的問題。他在不斷討論中逐漸找到思路——利用甲醇中“氫燃燒”產生的能量驅動產生甲醛的反應，解決甲醛反應中的熱力學匹配問題。

2018年7月24日下午，蔡韜在實驗室樓上的會議室里，正準備參加中國科學院重點項目階段評審會，突然接到實驗室技術員發來的一張照片。照片中3個試劑管并排，加入最新試驗產物的中間試劑管里的碘溶液呈淡藍紫色，與左右兩邊無色試劑管、深藍色試劑管對比明顯。

蔡韜立刻打電話確認，得到肯定回復后仍不放心，一路小跑回實驗室。直到親眼見到試劑管，他才抑制不住地喊道：“太好了！制造路徑終于全線打通了！”

那天，大家臉上一改連日來的嚴肅，掛滿了笑容。蔡韜隨即向馬延和報喜，“這真是我見過最美的顏色”。

至此，二氧化碳從頭合成淀粉終于實現了“從0到1”，合成產量達到30毫克/升。

所外尋合作，迎高光時刻

項目團隊并未就此止步，而是決定繼續開展后續研究，與酶“死磕”下去，提高合成速率和產量。

在隨后幾個月里，他們通過對關鍵酶的定向改造，解決了途徑中限速酶活性低、輔因子抑制、三磷酸腺苷（ATP）競爭等難題。

2018年底，中國科學院重點部署項目“二氧化碳的人工生物轉化”結題，項目團隊將淀粉合成產量提升8倍，達到200至300毫克/升，遠超立項之初的目標。這意味著，二氧化碳合成淀粉項目迎來了2.0時代。

“從最初的‘盲目自信’，到后來被各種困難打擊到谷底，直到逐步做出1.0、2.0版本，大家的信心一點點建立了起來。”蔡韜說。

2019年6月24日，在馬延和的指導下，蔡韜、江會鋒帶著最新進展資料，來到中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱大連化物所）尋求合作。

當時，中國科學院院士、大連化物所研究員李燦團隊已深耕20多年，實現了電解水制綠氫、再由綠氫加二氧化碳合成甲醇。如果這條路徑能與二氧化碳合成淀粉的生物反應路徑耦合，或許能實現新的突破。

聽完項目團隊的介紹，李燦表現出了極大興趣，兩個團隊一拍即合。

后來，項目團隊將李燦團隊合成的甲醇帶回天津工生所實驗室，進行后續合成淀粉實驗，發現完全可以正常合成，反應速率與商業甲醇無異。

進一步采用反應時空分離策略，解決化學與生物反應不兼容的問題，建立生化級聯反應系統，項目團隊將淀粉合成產量提升17倍，達到1.6克/升，實現了不同類型淀粉的可控合成。

二氧化碳合成淀粉的3.0版本出現了，且這一人工途徑的淀粉合成速率明顯超過玉米淀粉的合成速率。

2021年9月24日，《科學》雜志在線發表了這一成果，團隊6年技術攻關終于換來了豐碩的果實。

成果發布后，一下子引爆了學術圈和社會輿論，“二氧化碳合成淀粉”迅速成為熱門話題。

國內外專家紛紛表示，該成果是“典型的從0到1原創性突破”；是一項擴展并提升人工光合作用能力前沿研究領域的重大突破，具有“頂天立地”的重大意義；不僅對未來的農業生產特別是糧食生產具有革命性影響，而且對全球生物制造產業發展具有里程碑式意義。

全力降成本，推動產業化

論文發表后的那個早上，團隊成員的手機都響個不停。除了媒體報道、同行祝賀外，尋求合作的研究團隊、生物技術公司、咨詢公司也紛至沓來。隨之而來的還有人們對這項成果產業化的期待和質疑。

處于信息漩渦的中心，蔡韜興奮、緊張又擔心，心中五味雜陳。“那段時間整個人都很蒙，沒有想到會引發這么大的關注。”

后續的科研怎么做？敢不敢做產業化？如果進行工程化測試，投入巨大，萬一失敗怎么辦？大家走到了新的岔路口，必須作出抉擇。經過深思熟慮，項目團隊終于下定決心——做！

“產業化是我們最初的理想，也是最終的目標。初期爬坡那么艱難，走到一半卻不走了，怎么甘心？”馬延和說。

2022年8月，天津工生所成立人工合成淀粉研究中心（以下簡稱淀粉中心），以加速人工合成淀粉工程應用、推動糧食組分車間制造，聚焦解決產業化應用背后的前沿基礎科學和應用基礎科學問題。

淀粉中心仍采取三維科研組織模式，按總體研究部機制運行，研究所層面提供穩定支持、寬容失敗的科研環境，培養甘坐“冷板凳”的核心研發團隊。

“前期實踐已經說明，三維科研組織模式能夠有效克服科研碎片化問題，發揮不同學科優勢，集成科研院所、企業的優勢研發力量進行高效協同攻關，充分發揮體系化建制化優勢。”馬延和表示。

目前，淀粉中心已經聚集起20人左右的精銳力量，未來將增加至30人左右。

2022年底，二氧化碳人工合成淀粉工程化測試平臺建成，百升級、噸級中試裝置啟動測試。這意味著，整條合成路徑第一次走出實驗室、進入生產線，科研團隊正式朝“從1到10”的目標邁進。

與測試平臺建成一同到來的好消息是，“人工合成淀粉關鍵技術與應用”項目獲得中國科學院戰略性先導科技專項支持。馬延和表示：“這讓我們科研人員再一次充滿了信心和底氣。”

如今，科研團隊的主要攻關目標是“降低成本”，最核心的難題依然是酶。他們希望不斷提高酶的反應效率，讓價格昂貴的酶實現循環利用。同時，努力尋找和解決反應規模擴大后可能出現的效率受阻、堵塞不通、相互抑制等問題，不斷改進工藝流程。

馬延和期待，把淀粉合成的成本降到和農業種植相當甚至更低。“那將會節約90%以上的耕地和淡水資源，避免農藥、化肥等對環境的負面影響，緩解農業壓力，助力碳中和的生物經濟發展。”

前方的路還很長。如今，人工合成淀粉科研團隊更加堅信：路雖遠，行則將至；事雖難，做則必成。

《中國科學報》 (2024-05-22 第4版 專題)