6年，他们只做一件事，实现“0到1”的突破
2023/3/17 20:28:05 科学网
文 ｜ 《中国科学报》 记者 张晴丹一年前，一篇在《科学》刊发的文章改变了蔡韬的人生轨迹。
文中描述的核心技术二氧化碳人工合成淀粉瞬间被推上热搜，很快又在学术圈刷屏，国际上也引起轰动。
这是蔡韬过去6年孤注一掷的研究。披星戴月的苦熬终让那个天方夜谭变成了现实。这项重大突破性进展入选2021年度中国科学十大进展。 
蔡韬 中国科学院天津工业生物技术研究所供图
凭空制造，两全其美
2015年，当中国科学院天津工业生物技术研究所(以下简称天津工业生物所)副研究员蔡韬接到“人工合成淀粉”的项目时，他自己也不信能做出来。
这是天津工业生物所所长马延和很早之前就萌发出的一个设想，他给这个项目取了一个特别好听的名字——“凭空制造”。
要知道，那时候合成生物学在我国才刚起步，在国际上也是很前沿的学科。天津工业生物所前瞻性地瞄准了“二氧化碳人工合成淀粉”这一国家重大战略性科技问题。
在研究生阶段主要从事基础研究的蔡韬很想在应用领域有所建树，于是决心去啃这块“硬骨头”。“听了马老师的想法后，很是兴奋，觉得这个项目有非常重要的意义，便接了下来。”蔡韬向《中国科学报》记者回忆道。
淀粉在生活中很普遍，粮食中70%~80%的组分都是它，既然这么常见，为何还要费时费力用二氧化碳合成呢？到底有啥重要意义？
对此，蔡韬解释道，从全球范围来看，粮食生产消耗了地球上38%的土地和70%的淡水资源，但全球仍有超过1亿人处于严重饥饿状态，预计到2050年全球粮食需求量将提高50%。未来粮食安全可能是全人类要面临的重大挑战，这里面的关键是如何用有限的土地和淡水资源生产更多的粮食。
另一方面，二氧化碳大量排放导致的温室效应又是一个重大挑战，要想实现碳达峰碳中和的双碳目标，需要各个行业发展出更先进的技术。
“二氧化碳人工合成淀粉这项技术对于解决温室效应大有助益。这项技术经过改造之后，就能以二氧化碳为原料生产各种各样的化学品，这也为替代传统的石化资源提供了一种可能路线。”在蔡韬看来，这是两全其美的创新。
6年只做这一件事
“凭空制造”听起来很浪漫，但那仅仅是一个想法，那块天地尚无人踏足，全世界都没有任何数据、资料支撑。要趟别人没有趟过的河，何其困难。
植物合成淀粉需要大概60步代谢反应，里面遍布纷繁复杂的调控机制，自然界的鬼斧神工岂是轻易能被人类复刻出来的。
是否可以重新设计出更简单的淀粉合成途径呢？这是研究团队面临的最大挑战。
“我一直不想去做一些跟随或者重复性的工作，做开创性的工作虽然异常艰难，但最终结果往往是颠覆性的，这值得我们去冒险一试。”蔡韬说。
前两年，蔡韬和同事在无数次实验中败兴而归。虽然每个模块有一定的进展，但从头到尾的那条线始终未能串通。
每个人承受着巨大压力，心情沉甸甸的。就连开会讨论时气氛也很压抑，有时还会激烈争论这条路到底是否可行。虽然经历了无数次失败，蔡韬和团队成员仍然在二氧化碳人工合成淀粉这条路上艰难前进。
坚持到第三年终于有了转机。2018年7月24日，正在参加一个项目进展交流会的蔡韬突然收到实验室技术员乔婧发来的一张照片，上面的碘溶液试管里透出的微弱蓝色，瞬间令他血液沸腾。因为只有淀粉遇碘才会变蓝。
合成淀粉经过碘染后呈现蓝色 中国科学院天津工业生物技术研究所供图
为了确定这一真实性，蔡韬赶紧安排了重复实验，结果第二天他们再次收获了“淀粉蓝”。人工合成淀粉终于实现“0到1”的突破，他可以自豪的说“凭空制造这条路真的全线打通了”。
不过，这还只是构建的1.0版本，效率非常低。后来，蔡韬和同事又创造了2.0和3.0版本，通过三个版本的迭代，他们把淀粉的生产强度提高了136倍，把自然界植物60多步的反应简化到只有11步。
“我们人工合成淀粉的效率是玉米作物的8.5倍。”蔡韬介绍，根据他们的推测，在能量供给充足的条件下，1立方米反应罐年产淀粉相当于5亩土地的玉米淀粉年产量。
值得一提的是，通过这种方式，还可以开展淀粉的定向合成，想要直链淀粉或是支链淀粉，都可轻松实现。
6年时间里，他们只做了这一件事，光是记录实验的笔记就积攒了30多本。
至此，2000多个日夜的奋战，沉寂了6年的团队终于交上了一份比较满意的答卷。
试管里是合成的淀粉，经过纯化、干燥后形成的粉末。 中国科学院天津工业生物技术研究所供图
“喜欢吃糖的孩子掉进了糖罐子”
孩童时代，当和小伙伴们讨论长大后想当什么时，蔡韬果断地说出“科学家”。
求学路上，他朝着这个理想不断奋进。在南京农业大学硕博连读期间，哪怕是一些从未接触过的领域，只要导师提供一些材料、方法和建议后，他都能逐步摸索出其中的门道来。
大量猜测、大胆假设和反复尝试，蔡韬总有股敢为人先的拼劲儿、闯劲儿。当年，同学普遍还在采用化学转化法进行质粒转移时，他已完成非模式菌电转化的关键步骤，帮师姐解决了许多问题。
实验室成了他的第二个家，在实验室忙到很晚是家常便饭。
“我很喜欢去分析实验结果，就像福尔摩斯探案一样，通过一个结果，反推出来到底是哪有问题。”蔡韬非常享受这样的过程，“怎么形容那种感觉呢？就好比你特别喜欢吃糖，你又刚好掉到一个糖罐子里的那种幸福感。”
能进入这个领域，成为天津工业生物所里被委以重任的青年科学家，蔡韬认为自己是幸运的。“如果当初没有马老师把我领进来，我也不会找到想为之奋斗一生的方向。”
随着文章的发表，蔡韬原本沉寂单一的生活多了些许喧嚣，受邀采访、上节目、拿奖……纵然有很多光环加身，被更多人簇拥着，蔡韬的内心依旧平静无波，因为他的志向从来都不是发一篇文章、为了出名。
“一开始设定任务时，我们的目标就是淀粉的工业化车间制造。目前离我们认为的成功还相差甚远，仍需要继续像原先那样把冷板凳坐下去。什么时候真正能在车间把淀粉规模化生产出来，我才敢说‘比较接近成功了’。”蔡韬说。
最让他开心的事是淀粉研究中心的成立，蔡韬说起此事时语调激昂。除去包括他在内的5位原班核心人马，淀粉研究中心预计将再招20余人，这将是一个庞大的科研队伍。“我们又可以放手一搏了。”
岁月里深深浅浅的脚印逐渐淡去，蔡韬曾经初涉科研时的青涩模样已然蜕变成项目带头人的稳重成熟，唯有对科学探索的拳拳之心始终如一。
编辑 | 方圆排版 | 志海
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