二氧化碳“變身”糖邁出關(guān)鍵一步！中國(guó)科學(xué)家是怎么實(shí)現(xiàn)的？

2021年9月，中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所首次在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了從二氧化碳到淀粉的人工全合成。不到兩年時(shí)間，2023年8月16日，天津工業(yè)生物所實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了從二氧化碳到糖的精準(zhǔn)全合成，人工合成糖邁出關(guān)鍵一步。著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)通報(bào)》刊發(fā)了這一最新研究成果。

用二氧化碳合成糖，只需花費(fèi)17小時(shí)

糖是人類生命活動(dòng)及日常生活中重要物質(zhì),也是當(dāng)今工業(yè)生物制造的關(guān)鍵原材料。迄今為止，人類對(duì)糖的獲取主要依賴于植物類生物質(zhì)資源，想要實(shí)現(xiàn)高效精準(zhǔn)的人工制糖卻并非易事。

據(jù)了解，在這項(xiàng)圍繞“人工制糖”的研究中，中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所與中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所聯(lián)合，基于碳素縮合、異構(gòu)、脫磷等酶促反應(yīng)，設(shè)計(jì)構(gòu)建了一條非天然轉(zhuǎn)化途徑——“化學(xué)-酶耦聯(lián)”的人工生物合成系統(tǒng)，工程化設(shè)計(jì)改造酶蛋白分子的催化特性，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)控制合成不同結(jié)構(gòu)與功能的己糖。

▲人工己糖合成路線設(shè)計(jì)（來源：中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所功能糖與天然活性物質(zhì)研究組）

具體而言，研究人員在反應(yīng)溶液中將高濃度 CO? 等原料按一定比例進(jìn)行調(diào)配，在化學(xué)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(shí)驗(yàn)的反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)約 17 小時(shí)，相較于通過種植甘蔗等農(nóng)作物獲取糖的傳統(tǒng)方式，在時(shí)間尺度上實(shí)現(xiàn)了從“年”到“小時(shí)”的跨越；此外，糖合成的效率比已知成果提高了 10 倍以上，達(dá) 0.67 克每升每小時(shí)，葡萄糖的碳固定合成效率達(dá)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(xué)-酶耦聯(lián)”人工生物合成系統(tǒng)的糖合成更為高效、精準(zhǔn)，并且合成步驟也更為簡(jiǎn)單，能夠精準(zhǔn)控制合成不同結(jié)構(gòu)與功能的己糖，更為重要的是，該“化學(xué)-酶耦聯(lián)”人工生物合成系統(tǒng)的碳轉(zhuǎn)化率高于自然界植物光合作用，同時(shí)也高于傳統(tǒng)的化學(xué)法制糖以及電化學(xué)-生物學(xué)耦聯(lián)的人工制糖方法，為目前人工制糖路線中碳轉(zhuǎn)化效率的最高水平。

▲在中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所實(shí)驗(yàn)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(xué)打開一扇門

“這項(xiàng)科研成果相當(dāng)于是構(gòu)建了自然界不存在的一個(gè)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(zhǔn)地控制產(chǎn)物的構(gòu)型，提高產(chǎn)物的選擇性并降低后期的分離成本?！敝袊?guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所副研究員楊建剛表示。

▲在中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所實(shí)驗(yàn)室，楊建剛副研究員在做人工合成己糖實(shí)驗(yàn)。（來源：新華社）

總的來說，這項(xiàng)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(shí)現(xiàn)了較高轉(zhuǎn)化效率與精準(zhǔn)可控構(gòu)型的已糖人工合成，將為從非生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)化形成多樣性的人工糖產(chǎn)物提供一種可能性。

未來，研究人員計(jì)劃進(jìn)一步拓展這種“化學(xué)-酶耦聯(lián)”合成系統(tǒng)以生產(chǎn)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(yīng)用于食品、醫(yī)藥以及生物制造等多個(gè)領(lǐng)域。

德國(guó)科學(xué)院院士曼弗雷德·雷茨就論文給出評(píng)價(jià)意見認(rèn)為，從二氧化碳轉(zhuǎn)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(xué)打開了一扇門。

整理/記者 段大衛(wèi)

來源：北京科技報(bào)