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“人工合成淀粉”背后

来源:广州日报

作者:

2021-10-08 10:15:10

“脱离光合作用、植物和土壤,中国科学家以二氧化碳为原料直接人工合成了淀粉……”近日,中国科学院召开新闻发布会介绍了这一激动人心的科研成果,论文也在权威学术期刊《科学》上发表。在努力实现碳达峰、碳中和目标的当下,合成淀粉让人们产生了无尽美好的想象,甚至有网友惊呼:“‘喝西北风’将来可不再是一句笑话了。”

虽然从实验室走向工厂还有漫漫征途,但人工合成淀粉仍然是具有突破性和原创性的重大科研成果,其背后是在全球方兴未艾的合成生物学。中国科学院院士邓子新告诉记者,合成生物学是生命科学领域的一门新兴工程科学,其实质是在工程学思想指导下,按照特定目标理性设计、改造乃至从头重新合成生物体系,通过构造人工生物系统来研究生命科学中的基本问题,应对人类面临的重大挑战,因此,它被多国认为是未来的颠覆性科学技术。

目前,国内外合成生物学正在创造越来越多的科技成果。多位专家学者告诉记者,在合成生物学领域,中国几乎每隔几个月都会有比较重大的科研成果诞生。淀粉之后,我们或将迎来更多新的“合成”。

重大突破:

“从最原始的地方开始做”

众所周知,淀粉是粮食最主要的成分,通常由农作物通过自然光合作用固定二氧化碳生产。自然界的淀粉合成与积累,涉及60余步生化反应以及复杂的生理调控。

中科院的新闻发布会介绍,中国科学院天津工业生物技术研究所研究员马延和带领团队,采用一种类似“搭积木”的方式,从头设计,构建了11步反应的非自然固碳与淀粉合成途径,在实验室中首次实现从二氧化碳到淀粉分子的全合成。经核磁共振等检测发现,人工合成淀粉分子与天然淀粉分子的结构组成一致。

实验室初步测试显示,人工合成淀粉的效率约为传统农业生产淀粉的8.5倍。在充足能量供给的条件下,按照目前技术参数,理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于我国5亩玉米地的年产淀粉量。

马延和的科研突破,在我国科学圈引起热议。清华大学化学工程系教授陈国强告诉记者:“人工合成淀粉是具有很大突破性的科学进展,其突破性在于淀粉的合成工作全是在细胞外进行。以往,像淀粉这样比较复杂的化合物的聚合一般是需要在细胞内完成。马延和团队首次把所有试验操作放到细胞外,这是重大突破,也是一个非常典型的合成生物学成功案例。除了淀粉在细胞外合成,他们同时构建了完整的代谢路径,利用细胞外的酶来促进其反应,这是很好的突破。”

中科院合成生物学重点实验室主任覃重军教授同样不吝溢美之词,他表示:“人工合成淀粉肯定是一项重大科学突破,虽然还不是诺奖级的,但仍然有其独创性和震撼性。目前,我国合成生物学领域的成果大大小小都有,但达到像人工合成淀粉这样震撼的还不多。人工合成淀粉是概念性和原创性的突破,确实非常难得。以往大多数的科研突破是属于延展性的,科学的框架已经定了,科研人员只是顺着路径往前走,但合成淀粉属于概念性的突破,它从最原始的地方开始做,这是和其他一些科研性质上的不同。”

从实验室到工厂:

“可能要穷尽科学家一生”

尽管在实验室内取得成功,但专家们坦言,目前人工合成淀粉从实验室走向工厂仍是“路漫漫其修远兮”。

中科院副院长周琪表示,人工合成淀粉成果目前尚处于实验室阶段,后续需尽快实现从“0到1”概念突破到“1到10”的转换。

覃重军告诉记者:“这种成果从实验室走进工厂的距离是惊人的,人工合成淀粉只是初步把路径走通了,但还要考虑到成本核算的问题,目前看,成本降到能和自然PK还很难,这可能需要穷尽科学家一生去努力。”

覃重军说:“在科研领域,概念性的突破是可以的,这就和治疗癌症一样,技术一直在不断进步,患者的寿命得到延长,但还没好到治愈的程度。从学术到应用将是一个不断努力的过程,应用肯定要涉及成本问题。‘用一个1立方米的罐子生产淀粉,5亩玉米地就可以不用种了’是一个愿景,现在还远远做不到,未来有可能实现。科学的突破从理论的突破再到实际应用,都是比较远的。任何科学的进步总是在不断累积当中实现的,一有科学突破就要马上应用,这本身也是不科学的。”

陈国强则表示:“未来人工合成淀粉的挑战在于细胞外合成考验各种酶的稳定性。如何做好各种酶的分离纯化,酶如何在细胞外保持活性,如何应对合成中的每一步后酶的活力下降……这些问题都需要在细胞外得到解决。合成淀粉的步骤较多,目前成本是很高的,也是工业化不能接受的。”

陈国强接着说:“合成淀粉的另一个难题,是随着分子量的不断上升,葡萄糖不断被整合在高分子淀粉链上,黏度会越来越大,聚合的难度也会越来越高,人工合成淀粉也将可能聚合不到分子量特别高的淀粉。从分子量的角度看,人工合成淀粉和常见的淀粉还有一段距离。这些问题都是要在今后的工作中予以解决的。但无论怎样,仅仅是能在细胞外人工合成出葡萄糖,就已是一项很伟大的工作了。”

合成生物学:

“非天然但优于天然”

而人工合成淀粉的背后,是国内外合成生物学近年来的突飞猛进。

中国科学院院士邓子新告诉记者:“基于基因的生命科学经历了3次革命,而今人类进入生物体系的工程化,合成生物学开始以用途为导向,工程化为理念,对生物学进行全视角、多维度的研究,这是一个学科高度集成,堪比机械工程和土木工程的学科,科学家人工设计构建新的生命系统,使得它具有非天然但优于天然的功能。”

邓子新介绍,目前我国已经利用生物合成技术研发出了药物,“我国原来没有维生素e的生产厂商,只能通过进口;而今通过生物合成技术制造出了维生素e,我国也一跃成为维生素e的生产大国。生物合成一举打破了国外化学合成的复杂程序,成本很低,过程很安全,投资也少,效率很高,各个方面都有很大的改进。”

邓子新坚信,未来像维生素e这样的例子一定会层出不穷,“传统的化学合成生产会产生一些有毒的衍生物,利用合成生物学,不仅成本更低而且更环保和安全。未来,合成生物学一定大有作为。”

他还表示,“合成生物学实际就是把产品生产的基因搞清楚以后,‘劝说’某种微生物成长为某一种自然界内并不产生的化合物,使得它具有比天然化合物更优良的效应。”

陈国强表示,合成生物学在国外的成果也有很多,最典型的例子是新冠肺炎疫情期间国外研制的mRNA疫苗。其基本原理是通过特定的递送系统将表达抗原靶标的mRNA导入体内,在体内表达出蛋白并刺激机体产生特异性免疫学反应,从而使机体获得免疫保护。“在新冠肺炎疫情之前,mRNA疫苗技术其实早已经诞生了,但一直没机会做临床,因此该技术一直都停留在学术成就领域;面对疫情,这一技术终于可以做临床,做出来的结果很理想。基于mRNA的技术,未来人类肯定还会发展出各种疫苗、抗癌药品、抗体等。我觉得,这肯定是目前国外合成生物学中最成功的例子。”陈国强认为,在中国,一些化合物、药物的生物合成,单克隆抗体,酵母细胞中染色体的改造等都是合成生物学领域成功的案例。

“在合成生物学领域,学术成果和创新很多,但应用都需要有契机以及一定时间的积累。mRNA疫苗的研究在国外实际已经持续十几二十年了,只是一直没机会上临床,直到疫情发生。”陈国强告诉记者。

探索与原创:

“有突破就意味着希望”

采访过程中,几位科学家均强调,科学上的伟大突破未必一定会在应用上取得成功,但都让人类向着真理更近一步。因此无论未来人工合成淀粉能否产业化落地,科学家都为人类找到了一条崭新之路。

“独创和震撼性的科学突破总是让人激动的。”覃重军告诉记者。2018年,覃重军利用CRISPR技术创造出仅有一条染色体的酵母菌株。这项合成生物学的重大突破在《自然》杂志上发表。

陈国强表示:“任何一项科学技术从实验室到工业的转化,都需要时间和积累,其间也可能会犯很多错误。甚至很多科学技术的突破往往只能停留在科研上,并不一定能在短期内在商业上取得成功。我们要把目光放长远一点,很多技术从实验室到工厂常常要花几代人的心血。”

他举例说:“大家现在做核酸检测利用的就是PCR技术,也叫做聚合酶链式反应,之前科学家只知道能在细胞内能实现这样的反应。直到某一天,一位科学家将这个反应拿到细胞外做,他做成功了,就变成现在的PCR技术,从PCR发现到技术的应用,经历了50余年的时间,如今整个生命科学领域都在利用PCR技术在做基因扩增、基因克隆。”

“只有很少数的科学是发现没多久就可以应用的。大家应该耐心等待,它毕竟是突破,既然是突破,就能让我们看到希望。这是很重要的事。”覃重军告诉记者,“量子力学和相对论从最开始发现到现在已经上百年了,目前应用领域还不算多,但没有人能够否认这项科学发现的伟大划时代意义。”

[责任编辑:杨凡、曲一歌]

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