二氧化碳“變身”糖邁出關鍵一步！中國科學家是怎么實現的？

2021年9月，中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所首次在實驗室實現了從二氧化碳到淀粉的人工全合成。不到兩年時間，2023年8月16日，天津工業(yè)生物所實驗室實現了從二氧化碳到糖的精準全合成，人工合成糖邁出關鍵一步。著名學術期刊《科學通報》刊發(fā)了這一最新研究成果。

用二氧化碳合成糖，只需花費17小時

糖是人類生命活動及日常生活中重要物質,也是當今工業(yè)生物制造的關鍵原材料。迄今為止，人類對糖的獲取主要依賴于植物類生物質資源，想要實現高效精準的人工制糖卻并非易事。

據了解，在這項圍繞“人工制糖”的研究中，中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所與中國科學院大連化學物理研究所聯合，基于碳素縮合、異構、脫磷等酶促反應，設計構建了一條非天然轉化途徑——“化學-酶耦聯”的人工生物合成系統，工程化設計改造酶蛋白分子的催化特性，實現了精準控制合成不同結構與功能的己糖。

▲人工己糖合成路線設計（來源：中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所功能糖與天然活性物質研究組）

具體而言，研究人員在反應溶液中將高濃度 CO? 等原料按一定比例進行調配，在化學和酶催化劑的作用下，最終獲得了葡萄糖、阿洛酮糖、塔格糖、甘露糖 4 種己糖，整套實驗的反應時長約 17 小時，相較于通過種植甘蔗等農作物獲取糖的傳統方式，在時間尺度上實現了從“年”到“小時”的跨越；此外，糖合成的效率比已知成果提高了 10 倍以上，達 0.67 克每升每小時，葡萄糖的碳固定合成效率達到每毫克催化劑每分鐘 59.8 納摩爾碳。

相較于自然光合作用，這種“化學-酶耦聯”人工生物合成系統的糖合成更為高效、精準，并且合成步驟也更為簡單，能夠精準控制合成不同結構與功能的己糖，更為重要的是，該“化學-酶耦聯”人工生物合成系統的碳轉化率高于自然界植物光合作用，同時也高于傳統的化學法制糖以及電化學-生物學耦聯的人工制糖方法，為目前人工制糖路線中碳轉化效率的最高水平。

▲在中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所實驗室拍攝的一份人工合成己糖溶液樣品。（來源：新華社）

人工制糖，為綠色化學打開一扇門

“這項科研成果相當于是構建了自然界不存在的一個合成路線，不依賴于土地或種植，其合成路線更短、合成效率更高、所需能量更少，而且還能夠精準地控制產物的構型，提高產物的選擇性并降低后期的分離成本?！敝袊茖W院天津工業(yè)生物技術研究所副研究員楊建剛表示。

▲在中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所實驗室，楊建剛副研究員在做人工合成己糖實驗。（來源：新華社）

總的來說，這項研究建立了一種從 CO?、甲醇、甲醛等碳一化合物合成己糖方法，實現了較高轉化效率與精準可控構型的已糖人工合成，將為從非生物質原料轉化形成多樣性的人工糖產物提供一種可能性。

未來，研究人員計劃進一步拓展這種“化學-酶耦聯”合成系統以生產自然界含量稀少甚至不存在的糖分子，比如寡糖、糖苷或糖醇等化合物，將其作為原料應用于食品、醫(yī)藥以及生物制造等多個領域。

德國科學院院士曼弗雷德·雷茨就論文給出評價意見認為，從二氧化碳轉化為糖是特別有挑戰(zhàn)性的工作。這一成果提供了一種靈活性、多功能性和高效性的糖合成路線，為綠色化學打開了一扇門。

整理/記者 段大衛(wèi)

來源：北京科技報