“脫離光合作用、植物和土壤，中國科學家以二氧化碳為原料直接人工合成了淀粉……”近日，中國科學院召開新聞發(fā)布會介紹了這一激動人心的科研成果，論文也在權威學術期刊《科學》上發(fā)表。在努力實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標的當下，合成淀粉讓人們產生了無盡美好的想象，甚至有網友驚呼：“‘喝西北風’將來可不再是一句笑話了。”

雖然從實驗室走向工廠還有漫漫征途，但人工合成淀粉仍然是具有突破性和原創(chuàng)性的重大科研成果，其背后是在全球方興未艾的合成生物學。中國科學院院士鄧子新告訴記者，合成生物學是生命科學領域的一門新興工程科學，其實質是在工程學思想指導下，按照特定目標理性設計、改造乃至從頭重新合成生物體系，通過構造人工生物系統(tǒng)來研究生命科學中的基本問題，應對人類面臨的重大挑戰(zhàn)，因此，它被多國認為是未來的顛覆性科學技術。

目前，國內外合成生物學正在創(chuàng)造越來越多的科技成果。多位專家學者告訴記者，在合成生物學領域，中國幾乎每隔幾個月都會有比較重大的科研成果誕生。淀粉之后，我們或將迎來更多新的“合成”。

重大突破：

“從最原始的地方開始做”

眾所周知，淀粉是糧食最主要的成分，通常由農作物通過自然光合作用固定二氧化碳生產。自然界的淀粉合成與積累，涉及60余步生化反應以及復雜的生理調控。

中科院的新聞發(fā)布會介紹，中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所研究員馬延和帶領團隊，采用一種類似“搭積木”的方式，從頭設計，構建了11步反應的非自然固碳與淀粉合成途徑，在實驗室中首次實現(xiàn)從二氧化碳到淀粉分子的全合成。經核磁共振等檢測發(fā)現(xiàn)，人工合成淀粉分子與天然淀粉分子的結構組成一致。

實驗室初步測試顯示，人工合成淀粉的效率約為傳統(tǒng)農業(yè)生產淀粉的8.5倍。在充足能量供給的條件下，按照目前技術參數(shù)，理論上1立方米大小的生物反應器年產淀粉量相當于我國5畝玉米地的年產淀粉量。

馬延和的科研突破，在我國科學圈引起熱議。清華大學化學工程系教授陳國強告訴記者：“人工合成淀粉是具有很大突破性的科學進展，其突破性在于淀粉的合成工作全是在細胞外進行。以往，像淀粉這樣比較復雜的化合物的聚合一般是需要在細胞內完成。馬延和團隊首次把所有試驗操作放到細胞外，這是重大突破，也是一個非常典型的合成生物學成功案例。除了淀粉在細胞外合成，他們同時構建了完整的代謝路徑，利用細胞外的酶來促進其反應，這是很好的突破。”

中科院合成生物學重點實驗室主任覃重軍教授同樣不吝溢美之詞，他表示：“人工合成淀粉肯定是一項重大科學突破，雖然還不是諾獎級的，但仍然有其獨創(chuàng)性和震撼性。目前，我國合成生物學領域的成果大大小小都有，但達到像人工合成淀粉這樣震撼的還不多。人工合成淀粉是概念性和原創(chuàng)性的突破，確實非常難得。以往大多數(shù)的科研突破是屬于延展性的，科學的框架已經定了，科研人員只是順著路徑往前走，但合成淀粉屬于概念性的突破，它從最原始的地方開始做，這是和其他一些科研性質上的不同。”

從實驗室到工廠：

“可能要窮盡科學家一生”

盡管在實驗室內取得成功，但專家們坦言，目前人工合成淀粉從實驗室走向工廠仍是“路漫漫其修遠兮”。

中科院副院長周琪表示，人工合成淀粉成果目前尚處于實驗室階段，后續(xù)需盡快實現(xiàn)從“0到1”概念突破到“1到10”的轉換。

覃重軍告訴記者：“這種成果從實驗室走進工廠的距離是驚人的，人工合成淀粉只是初步把路徑走通了，但還要考慮到成本核算的問題，目前看，成本降到能和自然PK還很難，這可能需要窮盡科學家一生去努力。”

覃重軍說：“在科研領域，概念性的突破是可以的，這就和治療癌癥一樣，技術一直在不斷進步，患者的壽命得到延長，但還沒好到治愈的程度。從學術到應用將是一個不斷努力的過程，應用肯定要涉及成本問題。‘用一個1立方米的罐子生產淀粉，5畝玉米地就可以不用種了’是一個愿景，現(xiàn)在還遠遠做不到，未來有可能實現(xiàn)?？茖W的突破從理論的突破再到實際應用，都是比較遠的。任何科學的進步總是在不斷累積當中實現(xiàn)的，一有科學突破就要馬上應用，這本身也是不科學的。”

陳國強則表示：“未來人工合成淀粉的挑戰(zhàn)在于細胞外合成考驗各種酶的穩(wěn)定性。如何做好各種酶的分離純化，酶如何在細胞外保持活性，如何應對合成中的每一步后酶的活力下降……這些問題都需要在細胞外得到解決。合成淀粉的步驟較多，目前成本是很高的，也是工業(yè)化不能接受的。”

陳國強接著說：“合成淀粉的另一個難題，是隨著分子量的不斷上升，葡萄糖不斷被整合在高分子淀粉鏈上，黏度會越來越大，聚合的難度也會越來越高，人工合成淀粉也將可能聚合不到分子量特別高的淀粉。從分子量的角度看，人工合成淀粉和常見的淀粉還有一段距離。這些問題都是要在今后的工作中予以解決的。但無論怎樣，僅僅是能在細胞外人工合成出葡萄糖，就已是一項很偉大的工作了。”

合成生物學：

“非天然但優(yōu)于天然”

而人工合成淀粉的背后，是國內外合成生物學近年來的突飛猛進。

中國科學院院士鄧子新告訴記者：“基于基因的生命科學經歷了3次革命，而今人類進入生物體系的工程化，合成生物學開始以用途為導向，工程化為理念，對生物學進行全視角、多維度的研究，這是一個學科高度集成，堪比機械工程和土木工程的學科，科學家人工設計構建新的生命系統(tǒng)，使得它具有非天然但優(yōu)于天然的功能。”

鄧子新介紹，目前我國已經利用生物合成技術研發(fā)出了藥物，“我國原來沒有維生素e的生產廠商，只能通過進口;而今通過生物合成技術制造出了維生素e,我國也一躍成為維生素e的生產大國。生物合成一舉打破了國外化學合成的復雜程序，成本很低，過程很安全，投資也少，效率很高，各個方面都有很大的改進。”

鄧子新堅信，未來像維生素e這樣的例子一定會層出不窮，“傳統(tǒng)的化學合成生產會產生一些有毒的衍生物，利用合成生物學，不僅成本更低而且更環(huán)保和安全。未來，合成生物學一定大有作為。”

他還表示，“合成生物學實際就是把產品生產的基因搞清楚以后，‘勸說’某種微生物成長為某一種自然界內并不產生的化合物，使得它具有比天然化合物更優(yōu)良的效應。”

陳國強表示，合成生物學在國外的成果也有很多，最典型的例子是新冠肺炎疫情期間國外研制的mRNA疫苗。其基本原理是通過特定的遞送系統(tǒng)將表達抗原靶標的mRNA導入體內，在體內表達出蛋白并刺激機體產生特異性免疫學反應，從而使機體獲得免疫保護。“在新冠肺炎疫情之前，mRNA疫苗技術其實早已經誕生了，但一直沒機會做臨床，因此該技術一直都停留在學術成就領域;面對疫情，這一技術終于可以做臨床，做出來的結果很理想?；趍RNA的技術，未來人類肯定還會發(fā)展出各種疫苗、抗癌藥品、抗體等。我覺得，這肯定是目前國外合成生物學中最成功的例子。”陳國強認為，在中國，一些化合物、藥物的生物合成，單克隆抗體，酵母細胞中染色體的改造等都是合成生物學領域成功的案例。

“在合成生物學領域，學術成果和創(chuàng)新很多，但應用都需要有契機以及一定時間的積累。mRNA疫苗的研究在國外實際已經持續(xù)十幾二十年了，只是一直沒機會上臨床，直到疫情發(fā)生。”陳國強告訴記者。

探索與原創(chuàng)：

“有突破就意味著希望”

采訪過程中，幾位科學家均強調，科學上的偉大突破未必一定會在應用上取得成功，但都讓人類向著真理更近一步。因此無論未來人工合成淀粉能否產業(yè)化落地，科學家都為人類找到了一條嶄新之路。

“獨創(chuàng)和震撼性的科學突破總是讓人激動的。”覃重軍告訴記者。2018年，覃重軍利用CRISPR技術創(chuàng)造出僅有一條染色體的酵母菌株。這項合成生物學的重大突破在《自然》雜志上發(fā)表。

陳國強表示：“任何一項科學技術從實驗室到工業(yè)的轉化，都需要時間和積累，其間也可能會犯很多錯誤。甚至很多科學技術的突破往往只能停留在科研上，并不一定能在短期內在商業(yè)上取得成功。我們要把目光放長遠一點，很多技術從實驗室到工廠常常要花幾代人的心血。”

他舉例說：“大家現(xiàn)在做核酸檢測利用的就是PCR技術，也叫做聚合酶鏈式反應，之前科學家只知道能在細胞內能實現(xiàn)這樣的反應。直到某一天，一位科學家將這個反應拿到細胞外做，他做成功了，就變成現(xiàn)在的PCR技術，從PCR發(fā)現(xiàn)到技術的應用，經歷了50余年的時間，如今整個生命科學領域都在利用PCR技術在做基因擴增、基因克隆。”

“只有很少數(shù)的科學是發(fā)現(xiàn)沒多久就可以應用的。大家應該耐心等待，它畢竟是突破，既然是突破，就能讓我們看到希望。這是很重要的事。”覃重軍告訴記者，“量子力學和相對論從最開始發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在已經上百年了，目前應用領域還不算多，但沒有人能夠否認這項科學發(fā)現(xiàn)的偉大劃時代意義。”

(記者 武威)