【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

来我的主页看看我的精选照《文昌帝君阴骘(zhì)文》简称《阴骘文》,是中国古代道教重要典籍。作者不详。成书年代也难下定论。清代朱珪校定的《阴骘文注》认为:“《阴骘文》有宋郊之事,当作于宋代。”清代还有些学者也持这种见解。书成于《太上感应篇》之后,至迟不会晚于元代。《阴骘文》有各种手抄本、刊刻本,清代将其收入《道藏辑要》星集,为一卷。另外《昭代丛书别集》有《阴骘文颂》一卷,《三益集》有《阴骘文像》四卷。
在闽南古厝的碑刻中,认识了不少古代故事人物和教训。是一种难能可贵的知识财富。随着乡村城镇化的进程加快,很多老房子都被拆迁了,消失在历史长河中……

文昌帝君阴骘文

帝君曰:吾一十七世为士大夫身,未尝虐民酷吏;救人之难,济人之急,悯人之孤,容人之过。广行阴骘,上格苍穹。人能如我(帝)存心,天必赐汝以福。 于是训于人曰:昔于公治狱,大兴驷马之门:窦氏济人,高折五枝之桂。救蚁,中状元之选;埋蛇,享宰相之荣。欲广福田,须凭心地。行时时之方便,作种种之阴功。利物利人,修善修福。正直代天行化,慈祥为国救民。存平等心,扩宽大量。忠主孝亲,敬兄信友。各睦夫妇,教训子孙。毋慢师长,毋侮圣言。或奉真朝斗,或拜佛念经。报答四恩,广行三教。谈道义而化奸顽,讲经史而晓愚昧。济急如济涸辙之鱼,救危如救密罗之雀。矜孤恤寡,敬老怜贫,举善荐贤,饶人责己。措衣食,周道路之饥寒;施棺椁,免尸骸之暴露。家富,提携亲戚;岁饥,赈济邻朋。斗秤须要公平,不可轻出重入;奴仆待之宽恕,岂宜备责苛求。印造经文,创修道观。舍药材以拯疾苦;施茶水以解渴烦;点夜灯以照人行;造河船以济人渡。或买物而放生,或持斋而戒杀。举步常看虫蚁,禁火莫烧山林。勿登山而网禽鸟,勿临水而毒鱼虾。勿宰耕牛,勿弃字纸。勿谋人之财产;勿妒人之技能;勿淫人之妻女;勿唆人之争讼;勿坏人之名利;勿破人之婚姻。勿因私雠,使人兄弟不和;勿因小利,使人父子不睦。勿倚权势而辱善良,勿恃富豪而欺穷困。依本分而致谦恭,守规矩而遵法度。谐和宗族,解释冤怨。善人则亲近之,助德行于身心;恶人则远避之,杜灾殃于眉睫。常须隐恶扬善,不可口是心非。恒记有益之语,罔谈非礼之言。剪碍道之荆榛,除当途之瓦石。修数百年崎岖之路,造千万人来往之桥。垂训以格人非,捐资以成人美。作事须循天理,出言要顺人心。见先哲于羹墙,慎独知于衾影。诸恶莫作,众善奉行。永无恶曜加临,常有吉神拥护。近报则在自己,远报则在儿孙。百福骈臻,千祥云集,岂不从阴骘中得来者哉?[3]

于公治狱,大兴驷马之门————于公是西汉东海郯人,系汉相于定国之父,曾任县狱吏、郡决曹。他精通法律,治狱勤谨,以善于决狱而成名,无论大小案件,他都详细查访,认真审理,因之“每决而无恨”。于公治狱于公以德治狱,千古称颂。于定国的父亲于公的时候,他们的闾巷门坏了,父老乡亲一起来重修。于公对大家说:“把闾门稍微修得高大一些,让它可以容下驷马高盖的车。我审理狱讼积了不少阴德,还不曾冤枉过什么人,我的子孙一定会有发达起来的。”到于定国做丞相,于永做御史大夫,(留下了)封侯传世(的佳话)

窦氏济人,高折五枝之桂-----五代时期,有一个人叫窦禹钧,是燕山人,他到三十开外了还没有儿子。有一次他就梦到他的祖父,祖父在梦中就骂他:你不孝,不能行善积德,你不但无子,而且短寿,你现在必须要早点修德行善,能够希望把这个命运挽回来。这个梦很真实,窦禹钧就知道这不是假的,这是真的。古人都有孝道的根基,都有这个光耀门楣的思想,这祖父都来梦中批评他了,那不能不行动,所以窦禹钧从此以后力行善事,凡是遇到善事就拼命做。譬如说,有一个家里的佣人,把两百千文,两百千就是二十万,二十万钱偷走了,而且走之前把自己的女童,就他的这个女孩留到家里,这个女孩的背上贴一张纸,就是一个债券一样,写上「我要把这个女孩卖给你,来偿还我所负的债」。这是古人他偷钱,还想到要留一个女儿,这就是盗亦有道。结果窦禹钧看到了这封信,非常的怜悯这个偷钱的人,确确实实如果人不是贫穷到极点,他也不可能要把自己的女儿都卖了,走这麼一条路。所以并没有责怪,更没有追究,而且把这个字据给烧掉,就把这个女孩养大,养大之后给她择了配偶嫁出去了,并没有私心要这个女子给他做佣人。

他同宗的有个亲戚,因为家里穷,所以办不了丧事,窦禹钧就出钱为他办丧事。有的女儿嫁不出去,没钱嫁,窦禹钧於是就自己省下钱来补给他,使他能够把这个女孩嫁出去。家里窦禹钧都是非常的俭朴,所有家人都不允许带金银首饰,穿的都是很粗糙、一般的衣服。而省下很多钱来,就在自己的房屋的南面建了一个书院,购买了很多的书,几千卷的书,还请了老师,给那些读不起书的人、那些年轻人上课,就是办私学,所以做了好事是不计其数。不久之后,这窦禹钧连生了五子,都非常聪明,而且还梦到他的祖父跟他讲,说你这几年来功德浩大,名挂天曹,上帝都给你记了功,所以你的寿命延长三纪,一纪是十二年,也就是三纪是三十六年,延长了很多,而且是说你五子俱荣,这五个儿子都会很显贵。然后他祖父就在梦中劝勉他:你要继续努力,再接再厉不要退惰,继续努力行善。果然窦禹钧他的五个儿子都做了大官,像长子做了礼部尚书,次子做礼部侍郎。尚书就是现在讲的部长,侍郎就是副部长。这个三子、四子、五子,那都是当了大官。他还有八个孙子,而且全都是贵盛。窦禹钧自己本人活到了八十二岁,而且是无病谈笑而终。

救蚁,中状元之选-----宋朝有两兄弟,兄长叫宋郊,弟弟叫宋祁,兄弟两人都去准备赶考,他们都很有才华,学业非常好,都一起到太学读书,太学就是我们现在称大学。有一次有一位出家人会看人的面相,看到这两兄弟,就赞叹他们,说你们将来都有科名,都能考中,而且说弟弟小宋(就是宋祁)他会大魁天下,就是拿状元,这个当哥哥的(宋郊)也不失科甲,就是两兄弟都能考上进士,弟弟是第一名,状元。后来到了春天考试,在考试之前这位出家人又遇到了这个兄长宋郊,看到他的面相变了,就很欢喜的告诉他,说您是不是最近曾经救过百万生命,怎么你的面相改得这么好?宋郊就笑了,他说我一介寒士,穷书生一个,哪有能力救百万生命。这出家人就说了,这个生命也不一定是指人的生命,哪怕是蠢动含灵小动物它们也算。宋郊想一想,那大概是有一次,他说有一次下了大暴雨,他在房屋旁边看到有一窝蚂蚁,蚂蚁很多,蚂蚁洞被大水浸泡,於是宋郊就编了一个小竹桥给它架上,渡这些蚂蚁到干的地方去,难道这也算是救了这么多生命吗?那个出家人就说正是。生命,人是生命,小动物也一样是一条生命,你这个阴德看来,虽然你的弟弟会大魁天下,我看你不会在他下面,会有过之而无不及。

埋蛇,享宰相之荣-----孙叔敖是春秋时代的楚国期思(今河南淮滨县)人,出身贫寒,凭借自己的努力,官至令尹(楚国掌握军政大权的最高官员)。孙叔敖小的时候,到外面游玩,看见一条长有两个头的蛇,就杀了蛇并把蛇埋了。他哭着回家。他的母亲问他哭的原因。叔敖回答说:“我听说见了两头蛇的人一定会死,刚才我见到了它,害怕离开母亲死去。”母亲说:“蛇现在在哪里?”回答说:“我害怕别人又见到这条蛇,已经把它杀了并埋了。”他的母亲说:“我听说暗中做好事的人,上天会给他福气的,你不会死的。”等到孙叔敖大了以后,做到了楚国的国相,他还没开始治国,但是国人就已经相信他是一个仁义的人了。

整部《阴骘文》不长,只有五百四十五个字,总共七十八句《阴骘文》最大的特点就是排除了空洞的理论说教,结合历史上的真人真事,进行教化规劝,如:“于公治狱,大兴驷马之门”、“窦氏济人,高折五枝之桂”、“救蚁中状元之选”、“埋蛇享宰相之荣”、“正直代天行化”、“慈祥为国救民”、“施棺椁免尸骸之暴露”、“施茶水以解渴烦”等,这些词句所代表的窦禹钧、范纯仁、郭元振、孙叔、程一德等皆是被载入史册的人物。这些人物为什么能够科场中意,仕途无限呢? 《阴骘文》是这样解释的,就是凡人不见得通过轰轰烈烈的场面来表现自己,只要心地善良,从一点一滴的善事做起,便可以得到报应,当然这种报应是上天的答复,善良的结果。近一点报在自身,远一点报在儿孙身上,只是时间早迟的问题。

(戊辰年是1928年)片吧

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庄子《山木》之七

北宫奢为卫灵公赋敛以为钟,为坛乎郭门之外,三月而成上下之县。王子庆忌见而问焉,曰:“子何术之设?” 奢曰:“一之间,无敢设也。奢闻之,‘既雕既琢,复归于朴’,侗乎其无识,傥乎其怠疑;萃乎芒乎,其送往而迎来;来者勿禁,往者勿止;从其强梁。随其曲傅,因其自穷,故朝夕赋敛而毫毛不挫,而况有大塗者乎!”

译文:北宫奢为卫灵公收集资金以造钟,为坛乎城门之外,三月后上下俱成,钟便悬挂在那里。王子庆忌一见究问,曰:“此事你是如何精心设计的?” 北宫奢说:“始终如一,不敢有什么设计也。我听说,‘反复雕琢,复归于朴’,幼稚好像无见识,洒脱好像无知疑;有纳无纳,送往而迎来;来纳的不禁,不纳的不阻止;任其强梁,随其委婉,尽其本意,所以朝夕赋敛钱财而毫毛不伤害,而何况那些走大道的呢!”

体会:这又是一则虚己待人的故事。不急功近利,不喜怒于心,以诚相待,谁又会心生抵触呢?

拙作:西江月•读《山木》之七

赋敛为钟任重,
坛开物具心惊。
巨额三月术何行?
无设抱一安定。

送往迎来诚意
瞻无睹有情同。
雕琢返朴漠功名,
不挫毫毛人奉。


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