“我们的整体设计思路是将热电厂和水泥厂排放的高浓度二氧化碳分离出来作为原料 ， 将低密度太阳能转化为高密度电/氢能作为能源 ， 形成简单的碳氢化合物 ， 然后再设计出从碳氢化合物到淀粉的生物合成过程 。 ”蔡韬说 。 6年的时间 ， 科研团队一直摸索的就是从碳氢化合物到淀粉的生物合成路径 。
经过计算机算法挖掘和筛选 ， 在起点二氧化碳和终点淀粉之间 ， 科研团队最终锁定了30条可能的路径 。 每一条可能的路径都是一座“迷宫” ， 每一座迷宫中又有数个“关口” ， 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 。
“自然途径中的酶元件经过上亿年的进化 ， 已经融合得非常好 ， 就像一家人一样 。 而人工途径中的不同来源的酶元件‘打架’ ， 这就需要我们为这些酶找到合适的相处方式 ， 让他们彼此适应 。 ”蔡韬告诉采访人员 。
科研人员挖掘和改造了来自动物、植物、微生物等31个不同物种的62个生物酶催化剂 ， 通过蛋白别构调控改造、反应时空分离优化 ， 解决了人工途径中底物竞争、产物抑制、热动力学匹配等问题 。 最终优中选优 ， 使用10个酶逐步将甲醇转化为淀粉 。
经过各种优化 ， 科研团队成功将从二氧化碳到淀粉的合成途径简化至11步 ， 并实现了精准调控 。 这一人工途径的淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍 ， 向设计自然、超越自然目标的实现迈进了一大步 ， 为创建新功能的生物系统提供了新的科学基础 。
“经过分析鉴定 ， 我们合成的淀粉样品无论成分还是理化性质 ， 都和自然生产的淀粉一模一样 。 ”蔡韬说道 。
按照目前的技术参数 ， 在能量供给充足的条件下 ， 理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于5亩土地玉米种植的淀粉年平均产量 。 这一成果使淀粉生产的传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能 ， 并为二氧化碳原料合成复杂分子开辟了新的技术路线 。
“项目制”管理保障“0到1”的突破
“研究所不按发表文章进行考核 ， 我们6年没有发过一篇文章 ， 只是一心做研发 。 ”蔡韬坦言 ， 天津工业生物所实行的“项目制”管理 ， 为科研提供了制度保障：“与课题组同时进行多个课题不同 ， 6年来我们只做了这一件事 ， 不用担心项目经费问题 ， 可以心无旁骛地做科研 。 ”
传统科研模式一般以课题组为单元进行 ， 优势是能够集中在一个领域方向 ， 但不是所有的研究项目都适合这样的模式 。 “我们这个项目是一个多领域多方向交叉的工作 ， 这就需要将具备不同专长的人和团队组织起来 ， 专业的人做专业的事 ， 协同合作完成 。 ”蔡韬表示 。
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