中國科學家實現(xiàn)從二氧化碳到糖的精準全合成

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科技日報記者 陳曦

記者8月17日從中國科學院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所獲悉，該所成功構(gòu)建了靈活性、高效性及多功能性的人工生物系統(tǒng)，實現(xiàn)了多種己糖從頭精準合成，解決了糖分子立體結(jié)構(gòu)可控的難題，為擺脫自然合成途徑、利用二氧化碳創(chuàng)造多樣的糖世界提供了可能。該研究成果是在二氧化碳合成淀粉基礎(chǔ)上的一個重大突破，于8月16日發(fā)表在國內(nèi)期刊《科學通報》上。

糖是人類生命活動及日常生活中的重要物質(zhì)，也是當今工業(yè)生物制造的關(guān)鍵原材料。己糖是在自然界廣泛分布、與機體營養(yǎng)代謝最為密切的糖的統(tǒng)稱。迄今為止，人類對糖的獲取主要依賴于植物類生物質(zhì)資源。然而，這種傳統(tǒng)的“二氧化碳-生物質(zhì)資源-糖”的加工過程，受到植物光合作用能量轉(zhuǎn)換效率限制；更重要的是，由于土地退化和短缺、生態(tài)系統(tǒng)退化、全球變暖導致的極端天氣和自然災害，使依賴于糖類生物質(zhì)資源的生產(chǎn)方式面臨著原料供應的安全和風險。

為解決這一系列問題，需要將傳統(tǒng)制糖過程向非糖類生物質(zhì)資源制造模式轉(zhuǎn)變。中國科學院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所開發(fā)了人工轉(zhuǎn)化二氧化碳從頭精準合成糖技術(shù)，基于碳素縮合、異構(gòu)、脫磷等酶促反應，與中國科學院大連化學物理研究所科研團隊合作，設(shè)計構(gòu)建化學-酶耦聯(lián)的非天然轉(zhuǎn)化途徑，工程化設(shè)計改造酶蛋白分子的催化特性，實現(xiàn)了精準控制合成不同結(jié)構(gòu)與功能的己糖，其碳轉(zhuǎn)化率高于傳統(tǒng)植物光合作用，同時高于已報道的化學法制糖以及電化學-生物學耦聯(lián)的人工制糖方法，是目前人工制糖路線中碳轉(zhuǎn)化效率的最高水平。與此同時，該研究建立了可進一步延伸糖產(chǎn)物種類和構(gòu)型的生物系統(tǒng)，可實現(xiàn)人工創(chuàng)造糖分子多樣性。

該研究成果還顛覆了依賴糖生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化制備復雜糖分子的范式，提供了一種靈活的、可拓展的糖制造模式，可獲得自然界含量稀少的功能糖分子，從而拓展應用范圍。所獲得糖可作為原料應用于食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域，還可作為工業(yè)生物制造關(guān)鍵原材料合成其他化學品，進一步滿足人類的其他物質(zhì)需求，從而為負碳物質(zhì)合成提供原料供給。

國際著名有機化學家、生物催化領(lǐng)域?qū)＜?、德國科學院院士曼弗雷德·雷茨對該成果評價稱，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳水化合物是一個特別有趣的想法，也是非常具有挑戰(zhàn)的。成果在這一競爭性研究領(lǐng)域取得了真正突破，提供了一種靈活性、多功能性和高效性糖合成路線，為綠色化學打開了一扇門。

該研究成果實現(xiàn)了人工精準合成己糖技術(shù)路線突破，但距離工業(yè)化生產(chǎn)還有很長的路要走，仍需要解決相關(guān)科學與工程技術(shù)問題。

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