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二氧化碳“变身”糖迈出关键一步！中国科学家是怎么实现的？
2021年9月，中国科学院天津工业生物技术研究所首次在实验室实现了从二氧化碳到淀粉的人工全合成。不到两年时间，2023年8月16日，天津工业生物所实验室实现了从二氧化碳到糖的精准全合成，人工合成糖迈出关键一步。著名学术期刊《科学通报》刊发了这一最新研究成果。
用二氧化碳合成糖，只需花费17小时
糖是人类生命活动及日常生活中重要物质,也是当今工业生物制造的关键原材料。迄今为止，人类对糖的获取主要依赖于植物类生物质资源，想要实现高效精准的人工制糖却并非易事。
据了解，在这项围绕“人工制糖”的研究中，中国科学院天津工业生物技术研究所与中国科学院大连化学物理研究所联合，基于碳素缩合、异构、脱磷等酶促反应，设计构建了一条非天然转化途径——“化学-酶耦联”的人工生物合成系统，工程化设计改造酶蛋白分子的催化特性，实现了精准控制合成不同结构与功能的己糖。
▲人工己糖合成路线设计（来源：中国科学院天津工业生物技术研究所功能糖与天然活性物质研究组）
具体而言，研究人员在反应溶液中将高浓度 CO₂ 等原料按一定比例进行调配，在化学和酶催化剂的作用下，最终获得了葡萄糖、阿洛酮糖、塔格糖、甘露糖 4 种己糖，整套实验的反应时长约 17 小时，相较于通过种植甘蔗等农作物获取糖的传统方式，在时间尺度上实现了从“年”到“小时”的跨越；此外，糖合成的效率比已知成果提高了 10 倍以上，达 0.67 克每升每小时，葡萄糖的碳固定合成效率达到每毫克催化剂每分钟 59.8 纳摩尔碳。
相较于自然光合作用，这种“化学-酶耦联”人工生物合成系统的糖合成更为高效、精准，并且合成步骤也更为简单，能够精准控制合成不同结构与功能的己糖，更为重要的是，该“化学-酶耦联”人工生物合成系统的碳转化率高于自然界植物光合作用，同时也高于传统的化学法制糖以及电化学-生物学耦联的人工制糖方法，为目前人工制糖路线中碳转化效率的最高水平。
▲在中国科学院天津工业生物技术研究所实验室拍摄的一份人工合成己糖溶液样品。（来源：新华社）
人工制糖，为绿色化学打开一扇门
“这项科研成果相当于是构建了自然界不存在的一个合成路线，不依赖于土地或种植，其合成路线更短、合成效率更高、所需能量更少，而且还能够精准地控制产物的构型，提高产物的选择性并降低后期的分离成本。”中国科学院天津工业生物技术研究所副研究员杨建刚表示。
▲在中国科学院天津工业生物技术研究所实验室，杨建刚副研究员在做人工合成己糖实验。（来源：新华社）
总的来说，这项研究建立了一种从 CO₂、甲醇、甲醛等碳一化合物合成己糖方法，实现了较高转化效率与精准可控构型的已糖人工合成，将为从非生物质原料转化形成多样性的人工糖产物提供一种可能性。
未来，研究人员计划进一步拓展这种“化学-酶耦联”合成系统以生产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，将其作为原料应用于食品、医药以及生物制造等多个领域。
德国科学院院士曼弗雷德·雷茨就论文给出评价意见认为，从二氧化碳转化为糖是特别有挑战性的工作。这一成果提供了一种灵活性、多功能性和高效性的糖合成路线，为绿色化学打开了一扇门。
（整理/记者 段大卫，参考内容：新华社、光明日报、科技日报等）
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