【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

在最近的一期《十三邀》中,许知远被胡润的这个问题问住了:“你们中国人都讲究低调,很多富豪不愿意上百富榜,但你有没有想过为什么中国人买走了全世界最多的豪车和奢侈品?”

高级这个词,在中国人的心里是无比矛盾的。看起来人人都想拥有,但人人又都有所敬畏。

那究竟什么是高级感?

有人说是人类永不满足的追求,有人说是对造型和颜色的克制,也有人打趣,说高级感是甲方嘴边的紧箍咒。

既然众说纷纭,很难从正面回答这个问题,不妨从反面来聊聊高级感不是什么,也许能找到更有价值的答案。毕竟弄清高级感的本质,如何得体地表达高级感,也是全面小康了的老百姓们迫切需要得到的答案。

这也许是人们对于高级感最大的误区之一。

无印良品的克制、减法、回归物品本质的做法的确会让人产生行为反思,在选择太多、充满焦虑的世界有机会抽离、有空间安静下来。但这并不是高级感惟一的表达式。

其实核心在于统一的搭配,只要你讲故事的语气与故事内容本身契合,就会有高级的味道——毕竟设计本身就是一个抵抗熵增、把事物变得更合理的过程。

“高端电动车的设计一定是性冷淡的,这点我并不认可。”在邵景峰看来,一台加速性能强劲的ES33,需要用更锋利的线条、更强烈的肌肉感来衬托。不至于热血澎湃,但需要引起你生理机能上的喜爱。

对于行业竞品普遍把车灯做成一条线来体现简约高级感的趋势,邵景峰也有自己的抗争。R ES33的大灯和尾灯内镶嵌了大量类似波浪起伏的灯丝线条,与主灯带形成粗细对比,虽然不是极度简约的平直线条,但也不缺无印良品般的大气与新潮。

引擎盖和前后轮包上依然有大量传统燃油车时代的锋利特征线,侧裙的镀铬饰条上同样印有变化强烈的纹理图案,轮毂造型也并不简约。

在一众友商快把电动车做成一个光滑方盒的时代,R ES33用做加法的方式来诠释高级感,显然散发着完全不同的味道。

没有优劣之分,就像车主选择R的出发点一样,很多人都开过了三四台车,在个性化需求无比强烈的新能源换购时代,“别致”两个字就能满足他们的需求。

“高级感并不一定就要性冷淡,饱满的颜色,丰富的细节,也能带来不同的愉悦体验。”

同样地,当所有电动车都开始布局三厢轿车、拼了命在风阻系数上厮杀的时候,R ES33另辟蹊径地选择了看起来风阻并不低的跨界车身,虽然会带来更实用的空间体验,但在气动性能表现上注定会有所影响。

毕竟对于当下的电动车来说,每一公里的续航都至关重要。

“我们一直在追求更低的风阻系数,对于传统车企来说这是个老命题了。”四年前,荣威i6曾实现了0.25Cd的风阻系数,在当时排名全球前五。对于一台10万级家用燃油车来说,为了很容易被一脚油门所抵消的油耗节省,而投入了千万级的成本来优化气动性能,无疑是老牌车企才有精力也有条件做的事。

R ES33选择有别于主流,离不开背后“可充可换可升级”的电池硬件体系做支撑。“相比微小的风阻系数提升,我们把成本投入在了对智能电动车用户来说更有价值的体验上,比如包括全球首发的Luminar激光雷达和采埃孚4D成像雷达在内的全车33个智能硬件,以及更丰富的补能体系。”

好吧,这些听起来的确比一脚油门就抵消掉了的微弱的风阻系数提升更重要。

除了有别主流的车身形式外,R ES33拒绝谄媚与讨好的性格还体现在激光雷达的选择上。

与一些全系标配激光雷达的竞品不同,这台车会有带激光雷达和不带激光雷达两个版本。在R汽车首席运营官姜辉看来,当下的用户对自动驾驶还没完全接受,既然是用户型企业,就需要为其提供可以充分享受驾驶乐趣或沉浸在自动驾驶环境中的不同配置,来满足用户差异化的需求。

还有ES33的尾灯,虽然同样是贯穿式设计,但有别于市面上烂大街的平直灯带方案,ES33实现了竖向65mm开口、纵深50mm的立体尾灯。

你说这样的设计会在功能上实现很强的差异化诉求么,倒也不见得,但这份特色以及对焊接与装配工艺的突破性苛求,可不就是高级感的来源。

回到开篇胡润抛出的那个问题,我倒是觉得,中国人有炫耀成就的心理,骨子里有对高级感的渴望,但又只想在熟人圈子中展示,不想过度地张扬以避免不必要的麻烦。

如何拿捏好这个分寸,对设计一台定位高端的车来说显然至关重要。

比所有电动车的肩膀都宽,满足人们在视觉上对权力的渴求,是ES33打破传统冲压深度来体现高级的外显方式。不然西服怎么还要垫肩呢。

不过也有朋友指出,量产版的ES33改变了下侧远近光大灯的造型,看起来缺乏了概念版科幻的味道。

“对于这点,我得重点强调一下,量产版并非为了节约成本而草草布置了看起来很简单的7颗灯珠。”邵景峰和我说,除了3颗近光+4颗远光的一体式远近光灯之外,ES33的下灯组还内嵌了激光辅助模组,激光远光在高速时会自动开启,可以提升40%的远光照明度。

的确,单从设计上看ES33量产后的下灯造型辨识度降低了一些,但作为全球首台配置激光大灯的量产电动车,ES33的高级感藏在了你看不见的灯组内,外显与内敛并序的思考里,以及你在黑夜里看得更清晰的远光中。

无论拒绝性冷淡、拒绝主流落俗还是拒绝张扬露富,高级感没有唯一的定义,但有唯一的前提——坚持。

这一点,邵景峰看的很透彻,“高端品牌都是通过在某一领域的坚持来打动人心的”。单谈一朝一夕的某个元素或某款颜色没法支撑高级感,唯有千锤百炼后留下的核心内容,才能让用户认可。

“接下来的新车,还会延续同样的腔调。”

随着零售体验店和充换电站在全国紧锣密鼓地铺开,R汽车正坚持让高级感尽快落地,并让更多消费者感知到。“我们完成第一个一万辆交付用了10个月,坦率讲这个速度慢了一些,预计第二个一万辆会用4-5个月,待ES33明年正式交付后,我们会力争用3个月完成第三个一万辆的交付。”

姜辉做好了长久坚持的准备。

R ES33解锁高级感的密码,也即将经历更多的实践与检验。

之前b站上架《迪迦奥特曼》的时候我便重新补完了一遍。这部作品里处处都有对人类本真品质的赞颂,无论是面对外来威胁、政治斗争、精神控制、还是人类自身的过错所造成的失控,都坚信人可以通过心底的善良与勇气去化解,肯定“人性”的力量,这对于价值失落的现代人来说无疑是一针强心剂,也是其让观众感动不已的原因。
而被封禁是最大的讽刺,意味着在这个充斥着各种宏大叙事的时代里,人本真的价值判断被所宣扬的宏大目标遮盖,在概念世界中论辩的同时,也不再关注心底纯朴的善良、热诚。


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