【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

《关于红海》2020.12.20.
“你问我要怎么形容你,空洞的词都不配比喻,认真的说,我的男孩,我想让别人,我想让他们,羡慕你……”
12月中旬,不知道在哪里听到墙角的虾爬子得知肖战要去星光大赏(极其不确定),那时的我们已经有好久好久没见过他了,心里有着说不尽道不完的思念,真的好想好想他。
官方票开售前所有小飞侠都有着同一个想法:必须抢B区甚至C区票,A区他就看不到红海了,我们不是去看表演的,我们是去给我家“小孩”撑腰的。开售后所有的票瞬间一张不剩,当时微博上好多人都说没抢到,知道的抢到票的小飞侠也就那么几个,没有团票的我们只能蹲着其他品牌的抽奖亦或者是转赞评,为了一张票有多少小飞侠抡博把耗子抡到频繁,抡到废,几百条几百条的转,仅仅是为了一句:肖战可能会去。其实没有人知道肖战会不会出现,但此时所有小飞侠都有着共同的想法:我看不看得到肖战无所谓,但哥哥必须看到红海。“如果我们去了,肖战没去,那就当我们去玩了,但是如果,肖战去了,我们没去,这是绝对不可以发生的……”就这样,所有人抱着这样的信念准备着。有票的能去的在为线下做准备,没票的去不了的同样也在线上时刻准备着。“报告,这里还差灯牌”“收到,我这里有,我寄给你”“那里电池不够”“我有多余的,我给你……”“大家去了现场一定要注意安全,如果他没去,开开心心的玩一场第二天一定要平平安安的回来”“不要和陌生人讲话,你就是去看表演的普通观众”“大家去现场尽量不要乱扔垃圾,走的时候把自己身边的东西都带走,他已经很难了,我们别再给他添麻烦了”“最新消息,灯牌不能带进去,能去的姐妹这样……这样……这样……”,都在相互出谋划策着,此时的虾圈,真的就是一个超级温暖的大家庭,各自为了喜欢的人努力着。
终于,12.20日如期而至,直到进去的那一刻,也不确定他到底会不会出现,因为……(这里大家都懂)直到那个熟悉的身影一步一步缓缓的走上舞台,这时,红色逐渐在人海中亮了起来:一个……两个……三个……四个……五个……越来越多,一秒……两秒……三秒……四秒……五秒……六秒……七秒……八秒……红海亮了起来,一片红色海洋照亮了整个舞台,全场一片火红,这是我见过的最美丽的风景。现场的小飞侠边哭边喊肖战,战战,哥哥,思念的声音震耳欲聋,响彻整个场地…手机屏幕前的小飞侠也抑制不住自己的眼泪,对着手机热泪盈眶。记得当时有个姐妹在屏幕前对着她的“狗子”(舍友)哭着说:有红海,狗子,有红海哎!我们没有团票,票都是一张一张转来的,可是我们有红海哎……
是啊!一年了,整整一年了,这是整个20年来小飞侠第一次在正式的舞台上见自己爱的人啊!舞台下的虾泣不成声,舞台上的肖战红了眼眶,整个2020年都是肖战在空降,这次,换他的小飞侠们空降,我们是双向奔赴。上场前的他穿上铠甲,一腔孤勇的踏上了红毯,笔没油了也要把名字刻在上面,他做好了什么都没有的准备…可他不知道的是,他的姑娘们在没有后援会的情况下在拼尽全力给他一片红海,只为告诉他:这一年,我们没有离开,我们一直都在,无论别人如何诋毁,你永远都是我们的肖战,我们永远都是你的小飞侠…
场馆外面,每家都在安利着自己的偶像,方便各家粉丝找到自家,而我们家,什么都没有,只有一块红布,上面什么都没写,没有人敢上去问,所有小飞侠都是谨慎又谨慎,生怕因为自己而给他带来麻烦,事后才知道,那块什么都没有的红布就是我们家的,有人问虾,你是来看谁的,小飞侠理都不理,因为此刻,多说一句就是错,肖战出来前,都以为自己是虾圈的希望,可当红海出现后才发现:原来自己的周围都是情敌,事后还有姐妹打趣说“原来搞了一圈是和自家姐妹在抢啊…”不是灯牌不能带进去吗?是的,不能带进去,但他的姑娘们带进去了,灯牌带不进去就贴身绑着,外面套上厚厚的外套,害怕电池不够就把电池塞到鞋子里,一步一步艰难的前行着,信念只有一个:一定要有红海。因为明确规定灯牌不能带进去,所以现场收了很多,一个姑娘哭着对保安说:求求别拿走好不好,我已经一年没见到他了,我只想让他看到我在…
“认真的说,我的女孩,我想让他们羡慕你……”那个上台前一腔孤勇的男孩在他的女孩们面前哽咽着,卸下了所有的防备,露出了20年最开心的笑容,离别之际,深深的向他的女孩们鞠了一躬,挥着手告别,而他的小飞侠们,在星光大赏结束后,带走了现场所有的垃圾,将奔赴的爱和红海永远的留在了那个舞台上,留在了那个夜晚,留在了“小王子”的心里…
随后,工作室发文“飞越星河,霞津锦浪动”用文字书写了战虾双向奔赴,将红海画上了一个浪漫圆满的句号。而今天,红海又再次出现在了小室两岁的vlog里,无论是上场前他的紧张,还是上场后看见的红色星河,都将我们彼此的回忆拉回到283天前的那场红海,相信无论是肖战还是小飞侠,这场红海都会永远留存在彼此的记忆里,永远感动怀念,永远热泪盈眶,这专属于肖战,专属于小飞侠,专属于战虾[心]
写于2021.09.29.

一、当你犹豫要不要去做一件事的时候,其实你内心已经有了选择,只是你还没有充足的理由去说服自己。不要犹豫,坚定信念。

二、我脸上有多少笑容,背后就有多少故事。

三、记住,可以哭,可以恨,但是不可以不坚强。因为后面还有一群人在等着看你的笑话。

四、把期望降低,把依赖变少,你会过的很好。

五、反正总是有人要赢的,那为什么不能是我--科比。

六、谢谢你,谢你大爷,谢你全家,谢你祖宗十八代。


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