我国二氧化碳精准合成己糖技术取得新进展

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记者从中国科学院天津工业生物技术研究所了解到，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，第一次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。研究成果于北京时间8月16日晚间在国内顶尖刊物《Science Bulletin（科学通报）》发表。

糖是自然界中最丰富的有机化合物，是人类生命活动及日常生活中重要物质,也是组成淀粉、纤维素、蔗糖等基本组分单元。其种类繁多、结构复杂，且不同产物构型的糖分子往往具有不同的生理功能。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“CO2-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；最重要的是，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，依赖于糖类生物质资源的生产方式面临着供应安全和风险。因此，迫切需要寻求替代糖生产方式。

人工合成碳水化合物是国际研发热点，美国加州大学伯克利分校报道了电化学转化二氧化碳合成糖的技术路线，并获得美国国家航空航天局百年挑战大奖；我国科学家研发了电催化-酵母发酵耦联的方式合成葡萄糖，但糖分子合成不可控，或者仍然依赖生物自然功能，实际上糖分子从头人工设计合成仍然没有突破。

研究团队开发人工转化CO2从头精准合成糖技术，基于碳素缩合、异构、脱磷等酶促反应，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，为目前人工合成糖路线中碳转化效率的最高水平。与此同时，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。

该研究成果是二氧化碳合成淀粉攻关过程中“沿途下蛋”的一个重要突破，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，缓解人口日益增长对糖需求压力。所合成的葡萄糖等糖分子还可以作为工业生物制造关键原材料合成其他化学品，满足人类其他物质需求，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Manfred T. Reetz（曼弗雷德·雷茨）就本成果评价称，认为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，为绿色化学打开一扇门，未来可以期待这种方法将取得更多成功。

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，仍需要解决相关酶促反应效率、模块之间协同作用、高能化合物的供给和回收、反应体系规模放大等科学与工程技术问题。