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【人工合成淀粉:迷宫寻途2000天】2015年初,还在国外访问交流的蔡韬接到了马延和的电话:“未来所里计划做人工合成淀粉的项目,凭空制造。”

“凭空制造?这可能吗?”他有点惊讶。

6年后,他们把不可能变成了现实。中国科学院天津工业生物技术研究所(以下简称中科院天津工业生物所)通过复杂代谢途径的从头设计与精准调控,在国际上首次实现电/氢能驱动二氧化碳从头合成淀粉。9月24日,这一研究成果于《科学》在线发表。

图:实验人员在做淀粉遇碘显色试验。 倪思洁摄

△ 从0到1 从无到有

淀粉作为一类重要的高分子碳水化合物,为人类生存提供了所需的热量。1万多年来,农业种植都是生产淀粉的唯一途径。

可植物光合作用的能量效率低、生长周期长,为了应对粮食安全问题,科学家探索出了杂交育种、模块育种、分子育种等办法,还建立了人工光合系统。

“但这些都没有脱离植物本身的固碳模式。就像是跑得再快,本质上还要依靠双脚。能不能跳出这个模式,造一辆汽车呢?”中科院天津工业生物所所长、人工合成淀粉项目首席科学家马延和说。

与此同时,我国的二氧化碳减排压力巨大,而以二氧化碳为原料合成所需物质是摆在所有科学家面前的一道难题。

“利用二氧化碳合成淀粉”,一听说这个项目,即便是领域内的知名专家也纷纷摇头,“植物的光合作用已存在十几亿年,至今还未完全弄清楚系统机制,你们能从头合成”?

大家的质疑不无道理,这是从没有人做过的事,翻遍所有文献库,也找不到任何关于合成路径、研究方法的线索。

2018年7月24日下午,中科院天津工业生物所副研究员、人工合成淀粉项目经理蔡韬在实验室楼上的会议室里,准备参加中科院重点项目阶段评审会。自立项以来,他和同事已试验了两年多,尝试了无数次,但都以失败告终,眼看着为期3年的项目就要完结,他们的压力积攒到了最大值。

3点多钟,蔡韬接到了实验室技术员乔婧发来的一张照片。照片中并排的3个试剂管,中间的碘溶液呈淡淡的蓝紫色,与左右两边的无色和深蓝色状态对比明显。

“两边的是对照组,中间的是最新一次的试验结果,与碘溶液反应变蓝。”乔婧说。

蔡韬立即打电话确认,得到肯定的回复后,仍不放心,一路小跑至实验室,直到亲眼见到试剂管,他才抑制不住地喊道,“太好了!太好了!我汇报时终于可以说‘制造路径全线打通’。”

技术员孙红兵记得,那天大家都很开心,蔡老师一改往日的严肃,脸上挂满了笑容。

“相当于长征路上的遵义会议。”“那真是我见过最美的颜色。”蔡韬对《中国科学报》记者说。

至此,人工合成淀粉正式迈出了“从0到1”的一步,人类对于生命科学的认知边界又拓宽了一点。

△ 迷宫寻途 从有到优

成功的喜悦抹平了此前所有的遗憾,以至于他们在讲述研究历程时,会下意识地将前期困难一笔带过。

可最初接到这一项目时,就连他们自己都不相信能做出来。自然反应中,淀粉合成与积累涉及约60步代谢反应和细胞器间运输,在工业生产中,必须将其简化,又必须保证所有反应的充分和精准。

因此,如何将农业中复杂的合成途径简化为工业生产所需的简单合成途径,是人工合成淀粉面临的最大挑战。

经过计算机算法挖掘和筛选,研究人员在起点二氧化碳和终点淀粉之间,最终锁定了30条可能的路径,每一条包含9~12步重要反应。

每一条可能的路径都是一座“迷宫”。他们就处在每座首尾相连、层层嵌套的迷宫入口。每一座迷宫中又有数个“关卡”,也就是生化反应,想要过关,必须寻找到相应的“钥匙”,即能催化反应的特定的酶。

等到好不容易通关时,往往还是见不到淀粉。毕竟可能的路径有30条,只有走对了唯一的一条,才算成功。

“这些被看作‘钥匙’的酶可能存在于自然界中,也可能并不存在,需要重新设计。最难的是,不同于‘一把钥匙开一把锁’,同一个酶能催化多个反应,但又会带来‘副作用’。”蔡韬说。

6年中,有近一半的时间,他们都卡在这些不同的路径里,有时找不到高效催化反应的酶;有时酶会优先和前面的底物反应,而后面的底物无酶可用;有时只能走通某一部分。

为了通过迷宫中的层层关卡,蔡韬等人与十几个课题组合作。“一个团队力量有限,希望能找到细分领域里最专业的人来合作。”他说。

那时的孙红兵、乔婧都变得异常敏感,她们怀疑自己做的每一个步骤。“可能是溶液加错、剂量没看准,是自己犯了低级错误”。可每一次重复后,她们不得不面对的事实是,操作没有错误,这条路行不通。

“与课题组同时进行多个课题不同,我们是项目制管理,6年中只有这一个项目,所以无论遇到什么都不会放弃。”蔡韬说,“最坏的结果就是失败,科研中的失败再正常不过,大不了从头再来。”

一次,蔡韬外出交流,会上有位科学家提出“利用二氧化碳电/氢还原合成甲醇”。“听到这个思路的一瞬间,我打了个激灵,脑子像通了电一样。我们是不是能以此为鉴,先将二氧化碳转化成甲醇,再将甲醇合成淀粉?”他说。

后来,便有了那张碘溶液呈淡蓝色的照片。

9月15日,《中国科学报》记者在中科院天津工业生物所看到,蔡韬手持一个15毫升的离心管,里面装有大半管的白色粉末,他介绍,“这是利用二氧化碳合成的第一管淀粉,与植物提取淀粉一模一样。”

如果说2018年他们完成了“从无到有”,那么从2018年至今,他们实现了“从有到优”。

△ 走出迷宫 探寻未知

在人工合成淀粉的试验中,蔡韬要找“最简单的路径”,在生活中,他也是如此。从家里到研究所,通常他会选择转弯最少、红绿灯最少的那一条路,慢慢地走。“这条路最直,行人也少,便于专心思考问题。”他说。

在孙红兵看来,蔡老师太想做成了,他满脑子都是项目,只要讨论试验,他的双眼便会立刻亮起来,声调也变得丰富。

“最让我感动的是,为了让我们专心试验,他会铺好所有的路,大到试验设计、与其他合作者沟通试验技术,小到买三角瓶、试剂管,6年来的每一天,他一刻都不愿耽搁。”孙红兵告诉《中国科学报》。

也正是如此,他们才能在相对短的时间内,完成对关键酶的定向改造,耦合从二氧化碳到甲醇的化学过程与从甲醇到淀粉的生物过程中反应条件的兼容,最终将合成效率提高130倍。与植物自然生成相比,其碳转化率提高了20~40倍。

实验室的小会议室,见证着他们的每一次讨论与争执,也见证着71页论文文稿的55次修改。

“蔡老师对文稿熟悉到什么程度呢?前几天我们需要查两个单词,单词所在的页数和位置,他脱口而出。”孙红兵说。

有一次,蔡韬改累了躺在床上休息,收到中科院天津工业生物所研究员江会锋发来的一个链接,标题中,他隐约瞥见了二氧化碳、淀粉的字眼,当即从床上弹起来,困意全无,心怦怦地跳,“不会有人已经做出来了吧”,他紧盯着手机加载条,直到看完摘要才长舒一口气,“原来是不同的研究,虚惊一场”。

科学研究令人着迷和残酷之处均在于此,当研究者身陷迷宫,在各个关卡奋力拼搏时,往往不知道领域内有多少位“竞争者”,更无从得知彼此的进度。他们只能逼迫自己快一点,再快一点,因为开拓者的桂冠只属于最先到达的人。

2021年8月,《科学》审稿通过,且不需补做任何试验。审稿专家认为,该工作“是一项里程碑式突破,将在下一代生物制造和农业生产中带来变革性影响”。

时隔6年,蔡韬等终于走出了迷宫的弯弯绕绕,来到了更广阔的天地,他是世界上第一个走到这里的人。他很自豪,更重要的是,他想继续往前走,去追求更大、更多的未知。https://t.cn/A6Mfhbc7

#市区动态# 吴中人大聚焦区委“一号任务” 以多重角色全过程参与太湖生态岛建设

入秋后的西山岛,桂子飘香,丹枫烂漫,生态优美。它是全国淡水湖泊中面积最大的全岛,素有“太湖绿肺”之称,也是长三角核心区重要生态服务功能的支撑地。近一年来,它又有了一个广为人知的新名字——“太湖生态岛”。

高标准建设太湖生态岛,是苏州市委直接谋划的重大决策,市人大常委会作出立法保障,吴中区委将太湖生态岛建设确立为吴中的“一号任务”全力推进。吴中区人大坚持“党委有决策,人大有行动”,找准自身的职能定位,以多重角色全过程参与太湖生态岛建设。

角色一
立法的参与者

2020年11月,立足于沪苏同城化、长三角一体化发展的大格局大背景,江苏省委常委、苏州市委书记许昆林在吴中调研时指出,金庭镇西山岛要对标崇明国际生态岛,高标准建设“太湖生态岛”。随即,84.22平方公里的吴中区金庭镇西山岛,吸引、聚焦了大量关注的目光。为太湖生态岛建设提供立法保障,成为市人大常委会2021年备受瞩目的立法任务,《苏州市太湖生态岛条例》的制定紧锣密鼓。

发挥代表和群众在立法中的作用,是立法为了人民、依靠人民、造福人民的前提和保障。2021年1月,“积极参与太湖生态岛立法”写入了吴中区人大常委会工作报告。自此,吴中人大充分发挥上级人大与基层群众之间的桥梁纽带作用,参与立法调研、组织代表座谈,收集并向上传递基层诉求,让群众的声音充分写入立法进程。金庭镇的区、镇人大代表广泛开展调研活动,走进了300余户群众家中,收集各方意见建议,涵盖污水管网建设、农药化肥减量、产业发展、古村保护、废弃物循环利用等方面,为立法提供有益参考。

为推动《条例》的制定更接地气、更契合吴中实际,吴中人大做好立法工作的“参谋助手”。吴中区人大法制委员会邀请多方参与,广泛汇聚民意,形成《条例》草案建议稿,提交市人大常委会法工委,并参与探讨,通过建议稿与市人大常委会法工委拟制的《条例》草案的合而为一,实现了吴中声音的充分展现、民意诉求的充分表达。在为期两个多月的论证、修改中,区人大法制委员会及来自金庭的区人大代表全程参与,使立法与民意同频共振,最大程度扩大了太湖生态岛立法的民意基础。

角色二
群众的代言人

“建设太湖生态岛是市委、市政府的重要部署,是吴中区的‘一号任务’,要标准高而又高、措施实而更实谋划布局统筹推进,抢抓重大机遇、紧盯关键节点,合力擘划‘天堂苏州·最美吴中’产业兴、生态美的高质量发展新画卷。”吴中区委书记丁立新在调研太湖生态岛时指出。

太湖生态岛建设范围涵盖金庭镇区域范围内的西山岛等27个太湖岛屿和水域,户籍人口约4.56万人。如何将党委决策与人民意愿高效融合?吴中区人大常委会立足自身职责,坚持为民履职、为民代言,依法行使重大事项决定权,作出了《关于推进苏州市太湖生态岛建设的决定》,与《条例》同步实施,将党的决策部署、上级人大的立法精神与调研了解的群众意愿相结合,转化为全区人民的共同意志,汇聚起高标准建设太湖生态岛的最大合力。

《决定》从建设太湖生态岛的指导思想、基本原则、总体要求,到生态环境的保护和修复、历史文化遗产的保护和利用、农文体旅融合发展、发展壮大集体经济、做好发展要素保障、鼓励探索改革实践等方面,结合《条例》的内容,对高标准建设太湖生态岛提出了明确要求。同时,号召全区上下把思想和行动统一到太湖生态岛建设上来,不断夯实生态基底,充分发挥资源优势,拓宽绿水青山向金山银山的转化通道,为践行“两山”理念提供吴中经典案例。

“这项《决定》很好地将党的号召和法律的语言,变成了我们老百姓的声音,回应了基层群众的呼声和期盼。”来自金庭镇的吴中区人大代表朱红妹表示,她将做好法规政策的“宣传员”和人民群众的“代言人”,使太湖生态岛建设融入群众的思想观念与自觉行动中,使人民群众的诉求不断融入太湖生态岛的建设中,履行好人大代表的光荣职责。

角色三
议案的督办者

位于西山岛西部的主峰缥缈峰海拔337米,为太湖七十二峰之首。日前,吴中区人大常委会2021年区人代会议案办理视察调研组登上缥缈峰,眺望周边风貌,感受生态岛初步图景,并就加快项目实施、夯实生态基底、强化民生保障等方面提出意见建议。

“太湖生态岛”一经提出,就备受期待。吴中人大坚持提前谋划、提早介入,抓住机遇、主动作为,继2020年全年跟进督办“关于加快建设苏州生态涵养发展实验区的议案”的基础上,在今年初召开的区四届人大五次会议上,将“关于继续推进苏州生态涵养发展实验区建设、加快打造‘太湖生态岛’的议案”确立为大会议案,通过审议议案办理实施方案、办理情况报告及听取督查组议案督办情况汇报等多种方式,跟进议案办理,延伸督办链条,实施全过程监督。

位于西山岛南端的消夏湾湿地生态安全缓冲区,是太湖生态岛启动项目,也是长三角一体化水源保护及水环境提升样板规划建设的重点项目,建成后将对太湖周边面源污染治理起到示范作用。从春天里的油菜花海,到金秋中的万亩稻田,吴中区人大视察组、督查组一次次来到消夏湾,察看人代会议案办理情况,就项目实施、资金保障、绩效评估等提出意见和要求。如今,投资3.2亿元的生态安全缓冲区已渐出雏形。

同时,吴中区人大常委会还在监督全区科技创新平台建设情况等活动中,重点关注太湖生态岛探索推进百度无人驾驶先导示范区等创新实践,就发挥“一号任务”的虹吸效应、做优关联产业的布局等提出意见建议。

“生态岛建设是一场马拉松、接力赛,不仅要靠决心和勇气,要聚市级之力、举全区之力,更需要智慧和理性态度,在不断探索中找到有效路径。”吴中区人大常委会主任张炳华表示,希望区政府及相关板块、部门强化统筹,立足法治,聚焦惠民,坚持不懈推进生态岛高标准建设,区人大常委会将继续加大对太湖生态岛建设的关注和支持,合力打造绿色生态创新实践示范区。


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