我國二氧化碳精準合成己糖技術取得新進展

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記者從中國科學院天津工業生物技術研究所了解到，該所成功構建了靈活性、高效性及多功能性的人工生物系統，第一次實現了多種己糖從頭精準合成，解決了糖分子立體結構可控的難題，為擺脫自然合成途徑，利用二氧化碳創造多樣的糖世界提供了可能。研究成果于北京時間8月16日晚間在國內頂尖刊物《Science Bulletin（科學通報）》發表。

糖是自然界中最豐富的有機化合物，是人類生命活動及日常生活中重要物質,也是組成淀粉、纖維素、蔗糖等基本組分單元。其種類繁多、結構復雜，且不同產物構型的糖分子往往具有不同的生理功能。迄今為止，人類對糖的獲取主要依賴于植物類生物質資源。然而，這種傳統的“CO2-生物質資源-糖”的加工過程，受到植物光合作用能量轉換效率限制；最重要的是，由于土地退化和短缺、生態系統退化、全球變暖導致的極端天氣和自然災害，依賴于糖類生物質資源的生產方式面臨著供應安全和風險。因此，迫切需要尋求替代糖生產方式。

人工合成碳水化合物是國際研發熱點，美國加州大學伯克利分校報道了電化學轉化二氧化碳合成糖的技術路線，并獲得美國國家航空航天局百年挑戰大獎；我國科學家研發了電催化-酵母發酵耦聯的方式合成葡萄糖，但糖分子合成不可控，或者仍然依賴生物自然功能，實際上糖分子從頭人工設計合成仍然沒有突破。

研究團隊開發人工轉化CO2從頭精準合成糖技術，基于碳素縮合、異構、脫磷等酶促反應，設計構建化學-酶耦聯的非天然轉化途徑，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，其碳轉化率高于傳統植物光合作用，同時高于已報道的化學法制糖以及電化學-生物學耦聯的人工制糖方法，為目前人工合成糖路線中碳轉化效率的最高水平。與此同時，建立了可進一步延伸糖產物種類和構型的生物系統，可實現人工創造糖分子多樣性。

該研究成果是二氧化碳合成淀粉攻關過程中“沿途下蛋”的一個重要突破，顛覆了依賴糖生物質資源轉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、醫藥等領域，緩解人口日益增長對糖需求壓力。所合成的葡萄糖等糖分子還可以作為工業生物制造關鍵原材料合成其他化學品，滿足人類其他物質需求，從而為負碳物質合成提供原料供給。

國際著名有機化學家,生物催化領域專家,德國科學院院Manfred T. Reetz（曼弗雷德·雷茨）就本成果評價稱，認為將二氧化碳轉化為碳水化合物是一個特別有趣的想法，也是非常具有挑戰的。成果在這一競爭性研究領域取得了真正突破，提供了一種靈活性、多功能性和高效性糖合成路線，為綠色化學打開一扇門，未來可以期待這種方法將取得更多成功。

研究成果實現了人工精準合成己糖技術路線突破，但距離工業化生產還有很長的路要走，仍需要解決相關酶促反應效率、模塊之間協同作用、高能化合物的供給和回收、反應體系規模放大等科學與工程技術問題。