科学探索|凭空制造淀粉:什么人,竟然破了十几亿年光合“铁律”( 二 )


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》采访人员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 。