千茂配资马延和：农业工业化，生物制造的一个伟大场景

专题：2025年CC讲坛

　　由北京君和创新公益基金会、中国科学院大学校友会联合主办，主题为“和而不同，思想无界”的CC讲坛第68期演讲2025年10月25日在中国科学院大学（北京玉泉路校区）礼堂举行。来自天津工业生物技术研究所马延和所长出席，并以《农业工业化生物制造的一个伟大场景》为题发表演讲。

　　演讲实录：

　　下午好，我叫马延和。今天在此分享一个宏大背景下的具体创新的案例，这题目叫《农业工业化，生物制造的一个伟大场景》。

　　简单来讲大家可能知道，农业的起源是人类文明的基石，是我们人类赖以生存的基础。我们这个传说中的神农氏，制造农具，教先人耕种，起源了农业，形成了土地和劳动为核心的社会结构，为我们未来，为到现在为止做出了巨大的贡献，也出现了所谓的农耕文明。这个农耕文明实质上它是因为社会有更细致的劳动分工，造成社会结构的巨大变化，然后推动了我们今天文明的出现。在农业文明发展的历程之中，我们不断的去努力提高粮食作物的产量，养活更多的人口。我们的技术不断进步，粮食的产量不断增加，但是我们的生产范式没有变化，也就是说我们到现在为止，我们的粮食生产依然依靠土地、阳光、淡水，没有走出靠天吃饭的这种模板。

　　今天在生命科学领域，大家在努力的去创新种子种业技术不断提升产量。粮食产量也不断增加。到现在为止，我们国家最高的玉米产量能够达到1500多公斤每亩。这个已经是非常高，但是这样的产量能不能够满足我们巨大的需求？我们现在依然还可以适用就是锄禾日当午，汗滴禾下土这样的场景，我们依然要能够体会到农民辛苦劳作的场景。我们不能怪种子，不能怪植物，因为作物庄稼也是一种生命，它有它自身的生命属性，它生来不是为我们而服务，是为自身服务。它生产的我们所说，粮食是储存在种子或者根基之中的淀粉或者能量，为后代发育所储存下来的能量，需要很长的时间，需要自己自身的一个生命周期才能完成。

　　那么它对太阳光的吸收率，对二氧化碳的利用度就非常低，因为是它的生命属性所决定。那么在这样的努力下，或者说在这样的生物技术革命的浪潮下，我们有没有可能把农田搬到车间，我们把种子的创新变成对一个新生物细胞的创建，在一个工厂里面，车间里面培养一种新的细胞，完成我们农业种植这样的功能。也就是说我们如果说，对种子来讲，我们不断的进步，是不断的快速跑，本质上还是靠双腿，如果我们造辆汽车，改变一些赛道，或许会有质的变化！

　　我有幸在2007年带着100万的启动经费到天津筹建一个新的研究机构叫工业生物技术研究所。研究所其实筹建期间是非常的艰难，不仅仅是说100万的启动经费可以想象意味着什么，当然意味着基建意味着招人，意味着工资，意味着装备，意味着科研到2012年正式建成，成为科学院的一个序列研究所。

　　那么研究所我们开始所定的目标或者是战略任务，就是创新生物技术发展。我们希望是通过生物技术推动农业工业化、工业绿色化、绿色产业化，产业国际化。在几年之前，我们中央电视台曾经有过一个纪录片，就是叫《科学的力量》。曾经对天津所的一个工作进行了报道，第一个开场就是凌晨2点，中国科学院天津工业生物技术研究所灯火通明，其实这是常态，在研究所是常态。

　　到2021年9月24号早上起床，我的手机就被刷屏了，然后不断的这种祝贺的信息汹涌而来，就是我们一篇文章在科学期刊见见刊，中央电视台朝闻天下作为新闻在公布，我国科学家突破了二氧化碳，人工合成淀粉，我自己躺在床上，其实是有很多的感慨。是一项突破，是一项发明。实际上在2011年起步的我们第一个973计划，也是中国合成生物学的第一个973计划，就安排了相关的一些任务探索。从二氧化碳出发，我们能不能通过一个微生物细胞在发酵罐里面去合成一些产品？

　　当然到淀粉还很远，我们能合成一些简单的分子，有用的分子，高附加值的分子。在2014年跟我们中国科学院的领导讨论建议，反复的论证，到2015年我们终于启动了一个科学院的部署项目，叫二氧化碳人工生物转化。其中还是以化学品和高值这个材料化学品为主，而把淀粉作为其中的一个内容作为探索，一些预定预设的目标。那么在这个过程之中，我们历经几年的时间，18年的7月24号在实验室第一次看到了淀粉蓝，因为我们知道淀粉遇碘会变蓝，这个蓝是我们可以说这抹蓝是实验室见到的第一次淀粉的来源，已经说明我们在实验室可以合成出淀粉，粮食的主要组分。那么，按照道理，我们作为一个科研机构，有了这样的突破，应该欣喜，应该发表文章应该公开，应该去争取，课题应该去争取经费。

　　看到了蓝我们可以编一个故事，可以编一个非常好的故事，但是这是不是科技成果，科技成果怎么评价？其实这个时候有一个非常艰难的选择，我们所里的团队一方面是希望尽快的能够用声音能够争取资源，另外一方面也是希望能够把这个工作继续推进。只是我坚持我们是不是能够把成本降下来，我们能不能够验证一下技术的可靠性成熟性。哪怕我们做到小试不做到中试，把成本能够有可靠的量化，这样我们是不是再进一步的去做工作。但是很遗憾，到了2021年7月1号凌晨0点，不得不定稿把稿件投出去，这个过程我们的压力太大。文章上线之后，9月24号的新闻确实是报道了一个第一次不依赖人工淀粉，不依赖光合作用合成淀粉的一个案例。它的实质是通过化学催化和生物酶催化用11步反应合成淀粉，然后是效率是已经超过玉米的，它的能效和速率分别是3.5倍和8.5倍，也就是相当于一立方米的发酵罐，可以生产出相当于是5亩土地的的玉米产量。在国际上，学术界对这个工作也是确实给予了高度的评价，很多的重要期刊对此也进行了综述或者评价。我们很多的媒体，除了我们国内的媒体，其实包括国际上不同语言的媒体都有纷纷的报道。然后就是说这就是我们抓住了碳，然后为我们碳达峰为我们的粮食安全提供了一条解决路径。包括在国内2021年所有的十大什么科学突破，十大科技进展等等十大科技进展，所有的都入选，当然也入选了我们第四套科技邮票，然后在所内我们也是一个金牌的项目，但是实实事求是的来讲，这个工作确实意义很重大。

　　英国有个杂志可以叫《人类事》或者《人类记》，就是说我们人类影响地质地球演化的进程，到现在认为进入了人类可以影响地质年代的这么一个阶段，他们对这项工作的评价，就是说认为是走出自然食物食物链的一个开端。确实它会关系到生态系统，人类社会制度体系的一些变革。从粮食安全的角度，全球目前我们的粮食安全并不乐观。然后我们土地资源、包含水资源，包括化肥农药的压力，其实对我们来讲是非常大的一个调整。特别是对中国对我们国家而言，确保粮食安全是我们的头等大事，是一等一的重要问题。但是我们国家最近这些年年粮食逐年增产，我们的粮食进口量也是逐年增加，我们面临的形势是耕地趋紧，18亿耕耕地的这个红线不容突破，水资源奇缺，我们是全球最缺水的国家之一。另外就是需求的增长，过去我们种粮现在变成吃粮的了，我们吃粮又变成吃肉的了。可能我们需要的粮食会越来越多，我们的资源的上限和需求的增长变成了一个无解的难题。

　　那么这个淀粉实际上就是粮食的主要成分，也是为解决粮食安全的一个最重要的明星分子。所以人工合成淀粉实际上给我们提供了一个颠覆性的解决方案的可能，可以大幅节约土地，提高效率，在能太阳能量利用的效率方面有一个革命性的变化。那么想象一下我们将来技术成熟之后，可能我们不会再靠天吃饭。我们可能会转向车间的可控合成，我们不再会依赖气候。甚至说一些极端的情况，然后在根本上会转变我们传统的生存模式。

　　另外一个问题就是二氧化碳排放和气候变化的问题，也是全球目前大家关注的问题。确实随着工业经济的发展，二氧化碳排放和气候变化这个关系引起大家的一些争议。实现碳达峰碳中和的战略目标，是我们国家既定的方向和战略。我们现在的生态系统以它的碳汇能力已经不足以覆盖现在工业发展所排放的二氧化碳。本来我们的农业是一个碳汇系统，实际上不是我们的二氧化碳排放大户，第一就是发电，第二是交通，第三就是农业。它不仅仅不是一个碳汇的体系，是一个排放的体系。那么如果我们用二氧化碳做碳源，用我们的绿色能源做作为能量，在车间里面去制造淀粉，可以大幅超越自然光合作用的效率。无论从二氧化碳的利用浓度，还是这个太阳光的这个能量效率转化成淀粉，再用淀粉去制造我们所需要的燃料、材料、药物，包括各种食品。完全可以实现！向更远处看，以人工合成淀粉开启星际文明的历史是完全有可能。我们想象可以在火星上建立一个基地，我们在车间里面去合成淀粉要远远比种植要可行的多。那么这个过程中究竟我们做了什么创新？简单来讲，一个是我们的植物作物合成淀粉，要有通过光合作用的光反应、暗反应，合成调控60多步的反应和调控。然后我们把它的原理重新在计算机里面进行计算，设计了一条只有9步反应的简单路线。那么这条路线实际上是计算机的一个虚拟的反应，自然界是不存在的。那么，第二个关键点就是我们要把计算机里面这些反应要在实验室实现，那么就要把相关的催化剂找到，一些我们所说的酶蛋白，要找到，其中一个关键就是从1碳~3碳的一个没自然界是没有。那么我们又利用了人工创建非自然的一个酶蛋白来补齐这条链。那么补齐了之后，所有的酶都找到了，装到一起，所谓的反应堆依然没有反应，从虚拟到现实还是有非常大的挑战。

　　在这个过程之中，我们也认识到生化反应生物途径起源进化过程中的一些涌现性的问题。那么经过多轮的艰难的实验，从9步变成了11步，绕开了一些热力学不利的反应，终于实现了在实验室试管之中的淀粉合成，这就是这个途径的组装和进化。另外还有一个关键的问题就是第一步从二氧化碳到有机碳，生物反应很慢，我们尝试了若干种，包括从微生物来源，植物来源，包括人工设计不同方面的一些改造，但是效率依然低，和下游的酶反应相比确实是有这个比较大的差距。中国科学院大连化物所李灿院士团队，在二氧化碳加氢制甲醇方面取得了非常大的突破。然后我们叫化学和生物合作，把这一步加到我们的反应里面，然后看看是不是可以。当然这里面面临的挑战就是化学反应的条件和生物反应的条件是有非常大的区别，然后它的反应产物对后面反应的抑制也是非常的明显。所以经过多轮相互的合作，然后多步的调整，最终实现了耦合，实现了从二氧化碳到淀粉的全合成。这个时候的合成强度已经超过了玉米的3.5倍。在4个小时之内，我们可以一个试管里面合成就是4克多的淀粉。

　　那么到现在为止，我们其实这项工作研究所还在继续，那么离产业化还有多远？其实这是个问题，是一个很大的问题。在2021年的年终，人民日报邀请我写一篇文章——年终感悟。我就写了这篇文章，就是在2021年似乎人工合成淀粉成了我们所的一个标志，但是我自己的忧虑多于快乐。我一直认为我们还没有理由去欢呼，也在文章里面写了，真心希望我的同事们保持清醒的头脑，进一步思考工业车间制造淀粉所面临的科学问题，技术问题，工程问题，其实这个忧虑还来自于对团队是不是能够继续凝聚创新的情怀，能不能继续坚守，包括我们的价值观，创新的精神，还能不能继续守正？

　　我其实在北京，我自己的实验室多年之前是做极端微生物的。自从去了天津建研究所，北京实验室我再也没去过，但是这个办公室门口依然还挂着几个字，就是“今生你注定受苦，也许你心血耗尽，最终一无所获。”也许你历尽艰难还要从头再来，但是你必须坚持，因为对科学的追求是你唯一的选择。这张照片是二氧化碳合成淀粉的主力军，其实我的两侧是两位主力，剩下这几位都是第一作者的骨干。但是我自己知道，这项工作还需要大家共同的努力，有非常多的挑战。

　　简单来讲，我们从光伏发电开始，到有机碳固碳，然后到碳缩合碳链延长路线，我们的能量转化效率还太低。现在采用的方式通过甲醇，实际上是一个能量倒灌的方式，也就是说我们用高能物质去贯通这条路径，势必会造成能源的浪费。所有的这些问题会带来成本的问题。因为现在我们面临的问题就是要降低成本，降低成本。

　　第二个问题就是这条路径是不是最合理？我们仅限于已经报道了这条路径是不是最合适，我们有没有更合适的路径？就是说我们现在路径中有个中间产物是甲醇，我们敢吃吗？其实都是我们需要回答的问题，我们需要重新考虑一些新的策略，新的路径，甚至新的细胞新的系统。我们不要拘泥于我们现在，我们仅仅取得了当前的一点点成就。当然核心，其实我们因为是做生物合成催化剂，它的成本很关键。就是我们的过程成本解决了，我们才能够去考虑能源成本。现在酶的催化剂，包括辅酶催化剂的成本太高，所以现在它的酶活力稳定性都需要提升，所以这是一个非常大的挑战。

　　另外就是我们还需要考虑可再生能源它的供给和价格，那更要考虑人工的碳水化合物，在这个环境层面，在经济层面甚至社会层面引起来的长期的影响。在这个过程中，其实有一些产品已经在实践，包括植物天然产物的从提取到合成，刚才我们说到包括紫杉醇，包括天麻素，红景天苷已经实现了这种车间的合成。包括糖，从种植到合成已经实现了万吨级的生产线建设，包括蛋白质也已经在建万吨级的生产线，那么二氧化碳能不能够到淀粉？值得期待。

　　“我心向阳，春暖花开。”生物制造是一个伟大的场景。随着可再生能源的发展，一个可以改变农业格局，工业格局的战略机会窗口已经开启，我们希望科学家、产业界、公众大家共同努力推进这项伟大的事业，让我们国家有一个美好的可持续的未来，

　　谢谢大家！

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