提到淀粉，我們首先想到的就是糧食。我們?nèi)虻募Z食生產(chǎn)耗費(fèi)將近40%的土地和70%的淡水資源，同時(shí)還消耗大量的化肥和農(nóng)藥。即使這樣，據(jù)世界糧農(nóng)組織統(tǒng)計(jì)，全球還有將近10億人面臨嚴(yán)重的饑餓威脅。我們不要小瞧這40%的土地，這是我們刨除南北極的凍土、不能耕地的沙漠、荒原以及我們不能再砍伐的熱帶雨林之外，地球上能拿得出手的幾乎所有土地了。這也就意味著在未來，我們不可能通過大規(guī)模地增加耕地的方式來提高糧食的產(chǎn)量了。

隨著全球人口的增長，我們對糧食的需求還在不斷地提高。怎么來應(yīng)對這個問題？這里面的核心挑戰(zhàn)，就是我們?nèi)绾斡糜邢薜馁Y源、有限的土地、有限的淡水來生產(chǎn)更多的糧食。

我們先來看一下糧食生產(chǎn)的范式，即通過耕地來生產(chǎn)糧食。在1萬多年前，我們的祖先其實(shí)就已經(jīng)掌握了這種方式，把種子播撒在土地上，到秋天的時(shí)候收獲糧食。到現(xiàn)代，我們經(jīng)歷過一系列的技術(shù)革命，這些技術(shù)不斷地提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，但是這種春種秋收的范式并沒有改變。現(xiàn)在我們越來越清楚地看到，這種范式的天花板已經(jīng)在那兒了。

再以交通出行為例，我們最原始的出行方式是什么？就是靠我們的雙腿走。這種方式的天花板是博爾特，如果我和他賽跑，我可能連他的影子都看不到。但是如果給我一匹快馬或一輛跑車的話，我就可能輕易地超過他。這就是范式改變所帶來的魅力，它可以把前一種范式下不可能的事情變?yōu)榭赡堋，F(xiàn)在人類就可以通過出行方式的轉(zhuǎn)變?nèi)サ皆虑颍磥砦覀冞€可能去火星。

▲人工合成淀粉項(xiàng)目首席科學(xué)家馬延和

那怎么來造“這輛汽車”呢？我們首先要分析一下糧食的主要組分到底是什么。

以谷物糧食為例，它70%-80%的成分都是淀粉。全球每年的糧食產(chǎn)量大概是30億噸，其中接近20億噸都是淀粉這種分子。那么，我們有沒有可能換一種方式來生產(chǎn)淀粉呢？于是我們研究所在2015年的時(shí)候，就正式立項(xiàng)人工淀粉合成的項(xiàng)目。這個項(xiàng)目的初衷，就是把淀粉生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)化過程變成一個工業(yè)化的過程。我們把這種范式的轉(zhuǎn)變稱為“農(nóng)業(yè)工業(yè)化”。

這樣做的好處有什么？首先，我們可以把種植農(nóng)作物的漫長周期縮短。比如種植玉米需要100-150天，我們可以把它縮短到2-3天內(nèi)完成。另外，可以大幅降低農(nóng)業(yè)種植對土地的依賴，以后可能在一個很小的空間內(nèi)就可以生成淀粉。更重要的是，由于這種方式不再依賴植物來合成淀粉，可以真正擺脫對土地和水資源的依賴，并減少農(nóng)業(yè)種植對它們的影響。

這個項(xiàng)目一開始的時(shí)候，我們就希望能用空氣中的二氧化碳和太陽能，直接制造淀粉，所以給這個項(xiàng)目起名叫“憑空制造”。但是憑空制造真的可能嗎？

左邊是項(xiàng)目早期的一張照片，從右邊數(shù)第二個露半張臉的那個人就是我。當(dāng)時(shí)我還是一個非常快樂的小青年，因?yàn)槲疫€沒有意識到我們未來將面臨怎樣嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

我們先來看一看如何把淀粉從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程變成工業(yè)生產(chǎn)過程，以及在這個過程中，我們面臨哪些挑戰(zhàn)。

▲淀粉工業(yè)化生產(chǎn)的三大挑戰(zhàn)

我們先來分析一下農(nóng)作物是如何合成淀粉的。首先，農(nóng)作物要吸收太陽能，把太陽能轉(zhuǎn)化為生物可以利用的ATP或者NADPH這種形式。但是因?yàn)樘柲艿哪芰棵芏确浅５停科椒矫灼骄聛泶蟾胖挥?000瓦，這就意味著植物一定要大面積種植才能獲得足夠的能量。

有了能量之后需要固定二氧化碳。植物利用的是大氣中萬分之四的二氧化碳，這是一個非常稀薄的濃度。那也就意味著需要固定很長時(shí)間，才能積累足夠的碳源來合成植物以及我們的目標(biāo)產(chǎn)物淀粉。

然而，固定好二氧化碳不等于產(chǎn)生了淀粉，植物還要經(jīng)過一個漫長復(fù)雜的合成途徑，而這個途徑又受到非常多嚴(yán)格的調(diào)控。比如說玉米需要在整個植株長好之后，在營養(yǎng)豐富的情況下才會結(jié)出玉米棒子，玉米的籽粒里才會積累淀粉。

▲應(yīng)對三大挑戰(zhàn)的思路

當(dāng)我們想明白這些挑戰(zhàn)之后，我們就提出了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的思路。首先，二氧化碳從哪兒來？我們國家的熱電廠、水泥廠是固定源，每年排放大概40億-50億噸的二氧化碳。這些二氧化碳的濃度大于90%、甚至接近100%，我們可以把這些高濃度的二氧化碳捕集過來。

另一方面，我們可以把低密度的太陽能轉(zhuǎn)化為高密度的電能、氫能，能量密度可以是太陽能密度的十倍、百倍甚至千倍。除了利用太陽能，還可以用風(fēng)能、水能甚至是核能。我們國家最近的核聚變接連取得突破，如果這個技術(shù)真正得到應(yīng)用的話，那么就會有取之不盡、用之不竭的綠色能源。

最后，我們要設(shè)計(jì)一個化學(xué)還原的過程，把高濃度二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€簡單的碳一化合物，碳一化合物再通過生物過程的轉(zhuǎn)化，合成為非常復(fù)雜的淀粉分子。這樣的設(shè)計(jì)思路不僅發(fā)揮了化學(xué)催化速度快的優(yōu)勢，還充分發(fā)揮了生物催化可以合成復(fù)雜分子的優(yōu)勢。

▲二氧化碳化學(xué)還原

我們沒有使用一氧化碳和甲烷，因?yàn)樗鼈兪菤怏w，在后面的生物轉(zhuǎn)化體系中它們的傳質(zhì)效率非常低。而甲酸和甲醇的水溶性非常好，可以大幅提高淀粉合成的效率，因此我們選擇了甲酸和甲醇作為橋連化學(xué)反應(yīng)和生化反應(yīng)的中間分子。

▲如何設(shè)計(jì)更簡單的淀粉合成途徑

最后，我們還有一個關(guān)鍵的工作，就是利用途徑計(jì)算的方式，讓這些甲酸和甲醇變成淀粉。這里我們提出來兩個原則。一個是能量耗散最小原則。二氧化碳是一個惰性很大的化合物，如果我們想轉(zhuǎn)化它，一定要輸入能量。輸入的能量越少，整個系統(tǒng)的能效就越高，成本可能就越低。第二，我們希望它的反應(yīng)步驟越短越好。因?yàn)榉磻?yīng)步驟越短，我們越容易去設(shè)計(jì)、去操作，合成效率也會更高。

通過這兩個原則，我們從6000多個反應(yīng)里面計(jì)算出來4條可能的淀粉合成路徑。其中A組里有兩條，只不過大部分是重合的。基于計(jì)算的結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)，從理論上來看，二氧化碳到淀粉只需要9步反應(yīng)就可以合成了。我們當(dāng)時(shí)非常興奮。但是能不能真正地實(shí)現(xiàn)它呢？

這里我們要介紹一個生物科學(xué)中的催化劑——酶。以這個反應(yīng)為例，這里有兩個三碳化合物，一個叫磷酸二羥基丙酮，另外一個叫三磷酸甘油醛。在自然的狀況下，這兩個化合物會聚合生成一個六碳化合物，叫果糖1,6-二磷酸。但是這個過程發(fā)生的非常緩慢，可能需要幾百萬年才能完成。

但是，我們一旦在這個系統(tǒng)里加入一個酶，比如說果糖二磷酸醛縮酶，就可以大幅提高反應(yīng)的速度，這個過程可能在幾分鐘內(nèi)就完成了。我們可以把酶比作為工廠流水線上一個具有特殊技能的工人，它可以高效地完成一件非常復(fù)雜具有挑戰(zhàn)性的事情。

▲從不同的生物中找到了高效催化9步反應(yīng)的酶，但是……

因此，我們需要尋找能催化這些反應(yīng)的酶。我們把這些酶添加進(jìn)化學(xué)反應(yīng)中，期望能看到淀粉。但是事與愿違，我們做了很多的優(yōu)化和調(diào)整，但始終都沒有看到盼望中的淀粉。這是什么原因？

我們當(dāng)時(shí)分析后認(rèn)為，因?yàn)檫@些酶來自于不同的物種，它們從來沒有在一起工作過。我們貿(mào)然地把它們放在一起讓它們一起去工作，其間可能就會出現(xiàn)問題。

▲問題出在哪里？

因此，我們需要找出這些問題。我們借鑒了軟件編程中模塊化的概念，把非常復(fù)雜的人工計(jì)算切割成了4個更簡單的模塊。在每個模塊中，我們又設(shè)計(jì)了一個很方便的方法來檢測它們的功能。右下角和左上角的圖是我們在2016年測試模塊時(shí)做的實(shí)驗(yàn)。它看起來很復(fù)雜，其實(shí)說起來非常簡單。我們在炒菜時(shí)有菜譜，比如一道菜需要兩個西紅柿，三個雞蛋，鹽少許，醬油兩勺。按照菜譜上的溫度和時(shí)間制作，就可以出鍋品嘗了。我們的這個工作其實(shí)和炒菜類似。比如在這個實(shí)驗(yàn)記錄里，我們記下的是酶要放多少，底物要放多少，溫度要控制在30度，時(shí)間可能是半個小時(shí)。

▲從虛擬到現(xiàn)實(shí)：9步變?yōu)?1步

之后，我們就能通過化學(xué)和物理的方法檢測出最終的產(chǎn)物。我們發(fā)現(xiàn)，真正出現(xiàn)問題的地方不在模塊內(nèi)部，而是在模塊之間。比如圖中藍(lán)色和紅色的模塊，也就是碳一和碳三模塊之間，其實(shí)存在熱力學(xué)不匹配的問題。碳三和碳六模塊之間有一個代謝流平衡的問題。碳六和碳N模塊中有副產(chǎn)物抑制的問題。發(fā)現(xiàn)這些問題之后，我們對相應(yīng)的模塊進(jìn)行了調(diào)整，并重新進(jìn)行了設(shè)計(jì)。通過這種方式，我們就把原先通過計(jì)算機(jī)虛擬設(shè)計(jì)的共計(jì)9步的人工途徑，變成了在燒杯或者試管中能夠?qū)崿F(xiàn)的11步的反應(yīng)。整個過程我們從31個物種中比較了62個酶才得以實(shí)現(xiàn)。

2018年7月24日是我一直銘記著的日子，因?yàn)檫@一天是經(jīng)過三年多的工作后，我們第一次看到淀粉藍(lán)。

我們平?？吹降牡矸鄱际前咨勰畹?，但淀粉有個非常典型的顏色反應(yīng)，就是遇碘會變藍(lán)。通過這種方式，我們就能來判斷是否產(chǎn)生了淀粉。最左邊這個是陰性的對照組，我們稱之為陰性對照。它不產(chǎn)生任何淀粉，碘染之后呈現(xiàn)白色。最右邊的是陽性對照，當(dāng)合成很多淀粉后，碘染之后就是這樣的深藍(lán)色。中間的是我們在經(jīng)過多次調(diào)整后的一個樣品，它是一個很淡的、很微弱的藍(lán)色。

這是因?yàn)槲覀冊诔跗诤铣傻牡矸坻湵容^短。淀粉的鏈越短，它的顏色就越偏向于紫紅色，而越長就偏向于深藍(lán)色。而且我們初次合成的量是非常低的，所以看起來藍(lán)色就非常微弱。雖然顏色非常微弱，但是它在我們的眼中卻有著無與倫比的生命力。因?yàn)槲覀冎浪砹艘环N全新的可能，一種不再需要植物就可以合成淀粉的可能。

到此為止，我們就構(gòu)建了人工淀粉合成途徑的1.0版本，實(shí)現(xiàn)了從虛擬到現(xiàn)實(shí)的跨越。

▲Artificial Starch Anabolic Pathway (ASAP 1.0)

整個途徑是由1步化學(xué)反應(yīng)和10步生物反應(yīng)組成的。但在這個階段，淀粉的生產(chǎn)強(qiáng)度比較低，大概只有3毫克每升每小時(shí)，比植物的合成速率還慢。

我們分析了原因，發(fā)現(xiàn)這個途徑中有3個酶，它們的活性或多或少會受到各種各樣的影響，這就導(dǎo)致整個途徑的淀粉合成能力大幅下降。這就像生產(chǎn)線上有幾個業(yè)務(wù)能力水平不夠的工人，產(chǎn)品一到他這兒就卡殼兒了，導(dǎo)致整個生產(chǎn)線的效率大幅下降。怎么辦？我們可以對工人進(jìn)行培訓(xùn)，提高他的業(yè)務(wù)水平。同樣我們可以對酶進(jìn)行改造，來提高它的性能。

這張圖是對酶進(jìn)行的改造。酶是由氨基酸序列形成的，在它的催化中心有一些關(guān)鍵的氨基酸，它們對催化起著決定性的作用。我們把催化中心一個非常關(guān)鍵的28位的異亮氨酸變成了亮氨酸，使通道的口變小，進(jìn)而來提高酶的酶活用。

通過類似的方式，我們改造了這個途徑中3個關(guān)鍵的酶。第一個酶是fls，通過改造，我們提高了它的活性；第二個酶是fbp，我們解除了輔因子ADP對它的反饋抑制；最后一個酶是agp，通過改造，我們提高了它對ADP這種輔因子的競爭能力。通過對這3個酶的改造，我們構(gòu)建出了人工淀粉合成途徑的2.0版本。2.0版本的淀粉合成強(qiáng)度提高了將近8倍。

到這一步，我們從一碳到淀粉的合成工作已經(jīng)完成了。下面我們要思考如何把二氧化碳化學(xué)還原的步驟整合進(jìn)來，因?yàn)槲覀冏罱K的目標(biāo)是通過二氧化碳合成淀粉。這個時(shí)候我們就找到了李燦院士團(tuán)隊(duì)。

▲左：光伏電解水制氫   右：CO2加氫制甲醇

李院士的團(tuán)隊(duì)在20多年的時(shí)間里一直致力于研究二氧化碳的轉(zhuǎn)化利用，他提出的“液態(tài)陽光”計(jì)劃實(shí)際上就是通過光伏把太陽能變成電能，然后電解水產(chǎn)生氫氣，再用氫氣去還原二氧化碳合成甲醇。甲醇可以作為燃料，也可以作為其他化合物合成的原料。整條路線可以使太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的效率大于10%，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過自然的光合作用。

李院士給我們提供了非常多的幫助。但是化學(xué)反應(yīng)是個高溫高壓的過程，它的速度比較快。而生物是要在溫和條件下反應(yīng)，它整體上比較慢。這就導(dǎo)致從甲醇的合成到生物體系的反應(yīng)過程中會積累很多中間產(chǎn)物，這會對酶產(chǎn)生非常嚴(yán)重的抑制作用。

因此，我們提出了一個時(shí)空分離的策略，就是將化學(xué)反應(yīng)和生物反應(yīng)進(jìn)行空間上的分離?；瘜W(xué)反應(yīng)生成甲醇后，我們先合成三碳的DHA，之后再進(jìn)行后面的反應(yīng)，從DHA去合成淀粉。通過這樣的過程，我們就構(gòu)建了人工淀粉合成途徑的3.0版本。

3.0版本的淀粉合成強(qiáng)度比2.0版本提高了近20倍。更關(guān)鍵的是，在這個模式下，我們不僅能合成直鏈淀粉，還可以合成支鏈淀粉。在右上角的瓶子里，深藍(lán)色的是直鏈淀粉，染成紅褐色的就是支鏈淀粉。在自然界的植物中，這兩種淀粉是混合在一起的，我們相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了這兩種淀粉可控的合成。

我們用了3年的時(shí)間實(shí)現(xiàn)了人工合成淀粉的從無到有，創(chuàng)建了ASP1.0版本，又花了將近3年的時(shí)間，把淀粉合成能力提高了136倍。

▲最下方為玉米的淀粉合成速率

目前3.0版本的碳轉(zhuǎn)化速率已經(jīng)是自然界玉米淀粉合成的8.5倍。但我想說，3.0版本并不是我們最終的版本，它只是一個過程。后面我們還有4.0、5.0版本，不斷地提高人工途徑的能量轉(zhuǎn)化效率和淀粉的合成速率。

回顧過去6年，我們一共記了33本的實(shí)驗(yàn)記錄，記下了2000多個日夜里我們對人工合成淀粉的追求和探索。這其中有成功的喜悅，也有失敗的沮喪。

因?yàn)楝F(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室里合成出來的淀粉只有1克左右，我們不是不敢吃，實(shí)在是舍不得吃。所以我們后面的一項(xiàng)工作就是要加速推進(jìn)它的工業(yè)化應(yīng)用。

這個過程不是簡單的放大，我們還要解決它在整個放大過程中的一些基礎(chǔ)的科學(xué)問題。希望在未來，我們可以生產(chǎn)公斤級甚至噸級的淀粉。到那個時(shí)候，我們就可以回答大家這個問題了。

我們目前的工作還處于實(shí)驗(yàn)室的階段，真正要想實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化運(yùn)用還面臨很多的困難和挑戰(zhàn)，但是這并不妨礙我們?nèi)诚脒@個技術(shù)在未來到底能對我們的生活產(chǎn)生哪些影響。

我認(rèn)為首先帶來的影響是農(nóng)業(yè)模式的轉(zhuǎn)變，我們可以不再需要大規(guī)模地種田來實(shí)現(xiàn)淀粉生產(chǎn)了。我們還可以用這種方式或者這一類的技術(shù)去生產(chǎn)包括淀粉、蛋白、油脂等等一系列的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)品。

另外就是對化工產(chǎn)業(yè)的影響。我們傳統(tǒng)的化工產(chǎn)業(yè)是依賴于石化資源的，而這類技術(shù)可以以二氧化碳為原料生產(chǎn)淀粉和各種各樣的化學(xué)品，建立一條以二氧化碳為原料的新的工業(yè)路線。

除此以外，我們常常仰望星空，探索宇宙是人類的終極夢想。但是離開地球之后我們吃什么？這類技術(shù)可以在很小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)淀粉、蛋白以及各種各樣食物組分的合成，為我們在地外生存提供保障。

這個工作是我們多個團(tuán)隊(duì)一起聯(lián)合攻關(guān)的成果。我要感謝李燦院士、趙國屏院士等多位專家和前輩對我們的指導(dǎo)和幫助。還要特別感謝中科院和天津市對基礎(chǔ)研究的支持，在我們還只有一個想法的時(shí)候就給了重點(diǎn)部署項(xiàng)目，支持我們可以完成夢想。

除此之外，還要感謝我們研究所的機(jī)制體制創(chuàng)新，使我們可以不用煩惱于文章的發(fā)表、經(jīng)費(fèi)的爭取和職稱的晉升，讓我可以靜下心來六年磨一劍去做這個工作。最后還要特別感謝馬延和所長，是他的高瞻遠(yuǎn)矚讓我有機(jī)會實(shí)現(xiàn)淀粉藍(lán)圖。

我們6年的攻關(guān)任務(wù)雖然完成了，但是人工合成淀粉的故事還沒有結(jié)束。如果你對人工合成淀粉這個方向感興趣的話，請你加入我們，因?yàn)樗{(lán)色的青春夢想，有你會更加精彩。

謝謝大家！