二氧化碳合成糖 为绿色化学打开一扇门

近日，中国科学院天津工业生物技术研究所副研究员杨建刚带领团队在二氧化碳合成淀粉基础上，实现了多种己糖从头精准合成，使糖分子立体结构可控，为摆脱自然合成途径、利用二氧化碳创造多样的糖世界提供了可能。

此项研究成果于8月16日发表在国内刊物《科学通报》上。

近年来，人工合成糖一直是科学界孜孜以求的方向，我国科学家实现从二氧化碳到糖的精准全合成，迈出人工合成糖关键的一步。

已糖与机体营养代谢最密切

糖是自然界存在最多、结构最复杂的化合物，是人类食物与动物赖以生存的重要物质之一，人体所需70%左右的能量由糖提供。结构和功能各异的糖家族被应用于生活中的各个领域，包括糖果、饮料、烹饪、药品、工业制造等。

杨建刚表示，按照糖的组成分类包括单糖、双糖、多糖等多种形式。单糖是碳水化合物中最基本的组成单位，根据碳原子数目又分为丙糖（3个碳原子）、丁糖（4个碳原子）、戊糖（5个碳原子）、己糖（6个碳原子）等，其中己糖与机体营养代谢最为密切。

根据己糖的化学结构，己糖包括24种构型的糖分子。自然界中，除了葡萄糖、果糖等少数糖含量丰富外，大多数己糖在自然界中存在很少，2002年，这类糖被国际稀少糖学会定义为稀少糖。

传承百年制糖方法面临挑战

绿色植物通过光合作用固定二氧化碳，将淀粉、蔗糖等碳水化合物储存在玉米、小麦、甘蔗等农作物中。人们为了获取所需要的糖成分，采用物理、化学以及生物手段，经过复杂制糖过程，获得葡萄糖、果糖等单糖成分。然而，这种传承了上百年的制糖方法，正在面临一些挑战。

首先，日益增长的人口数量对糖需求量越来越高，依赖作物为原材料获取糖成分的方式，受到植物光合作用能量转换效率限制，在未来可能无法满足需求；其次，随着全球气候变暖、土地退化、极端环境等影响，依赖土地种植获取作物同样面临重大风险。此外，在长期自然进化过程中，作物中的糖成分已经相对固定，难以获得一些稀有的或者天然不存在的单糖成分。

人工合成糖应用领域广泛

为了解决人类对糖的需求，科学家尝试将这种传统制糖过程向非糖类生物质资源制造模式转变。利用二氧化碳人工合成糖是近年来的研究热点，虽然已经做了很多探索尝试，但仍存在合成糖产物为复合型糖类、后期使用局限性大，合成的单糖效率不高等亟待攻克的难题。

杨建刚所在的团队经过两年的科研攻关，实现了二氧化碳到糖的精准全合成。“这一技术不依赖于植物种植的己糖合成方法，实现了人工转化二氧化碳‘定制化’地合成多种己糖，提供了灵活性及多功能性的人工生物系统。”

据了解，该技术团队基于碳素缩合、异构、脱磷等酶促反应，与中国科学院大连化学物理研究所科研团队合作，设计构建化学—酶耦联的非天然转化途径，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。

“这条路线从二氧化碳到葡萄糖需要一个化学催化剂和7个酶元件，如何实现这条路线的精准、高效，就需要对7个酶元件进行挖掘。”杨建刚表示，团队通过不断进行酶改造、挖掘，共筛选了4000多个突变体、100多个酶元件，经过一两百次的尝试，终于成功实现了二氧化碳合成己糖。

该技术的糖合成能力高于传统植物光合作用，同时也高于已报道的化学法制糖以及电化学—生物学耦联的人工制糖方法，是目前人工制糖路线中碳转化效率的最高水平。

成果颠覆了依赖糖生物质资源转化制备复杂糖分子的范式，所获得糖可作为原料应用于食品、医药等领域，还可作为工业生物制造关键原材料合成其他化学品，进一步满足人类的其他物质需求，从而为负碳物质合成提供原料供给，也为绿色化学打开了一扇门。

杨建刚表示，研究成果实现了人工精准合成己糖技术路线突破，但距离工业化生产还有很长的路要走，仍需要解决相关科学与工程技术问题。