中国科学家实现从二氧化碳到糖的精准全合成

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科技日报记者 陈曦

记者8月17日从中国科学院天津工业生物技术研究所获悉，该所成功构建了灵活性、高效性及多功能性的人工生物系统，实现了多种己糖从头精准合成，解决了糖分子立体结构可控的难题，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。该研究成果是在二氧化碳合成淀粉基础上的一个重大突破，于8月16日发表在国内期刊《科学通报》上。

糖是人类生命活动及日常生活中的重要物质，也是当今工业生物制造的关键原材料。己糖是在自然界广泛分布、与机体营养代谢最为密切的糖的统称。迄今为止，人类对糖的获取主要依赖于植物类生物质资源。然而，这种传统的“二氧化碳-生物质资源-糖”的加工过程，受到植物光合作用能量转换效率限制；更重要的是，由于土地退化和短缺、生态系统退化、全球变暖导致的极端天气和自然灾害，使依赖于糖类生物质资源的生产方式面临着原料供应的安全和风险。

为解决这一系列问题，需要将传统制糖过程向非糖类生物质资源制造模式转变。中国科学院天津工业生物技术研究所开发了人工转化二氧化碳从头精准合成糖技术，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，其碳转化率高于传统植物光合作用，同时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。与此同时，该研究建立了可进一步延伸糖产物种类和构型的生物系统，可实现人工创造糖分子多样性。

该研究成果还颠覆了依赖糖生物质资源转化制备复杂糖分子的范式，提供了一种灵活的、可拓展的糖制造模式，可获得自然界含量稀少的功能糖分子，从而拓展应用范围。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。

国际著名有机化学家、生物催化领域专家、德国科学院院士曼弗雷德·雷茨对该成果评价称，将二氧化碳转化为碳水化合物是一个特别有趣的想法，也是非常具有挑战的。成果在这一竞争性研究领域取得了真正突破，提供了一种灵活性、多功能性和高效性糖合成路线，为绿色化学打开了一扇门。

该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。

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