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(資料圖)

2021年9月，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所首次在實驗室實現(xiàn)了從二氧化碳到淀粉的人工全合成。不到兩年時間，天津工業(yè)生物所又傳來好消息：在二氧化碳合成淀粉的基礎(chǔ)上，該所實現(xiàn)了從二氧化碳到糖的精準(zhǔn)全合成，擺脫了自然合成途徑，為利用二氧化碳創(chuàng)造多樣的糖世界提供了可能。研究成果于8月16日近22時在國內(nèi)頂尖刊物《ScienceBulletin（科學(xué)通報）》在線發(fā)表。

糖是人類生命活動及日常生活的重要物質(zhì)，種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。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等原因，依賴于糖類生物質(zhì)資源的生產(chǎn)方式面臨供應(yīng)安全和風(fēng)險。因此，迫切需求新的生產(chǎn)方式。

文章第一作者楊建剛副研究員告訴記者：“團隊成功構(gòu)建了靈活性、高效性及多功能性的人工生物系統(tǒng)，顛覆了依賴糖類生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化制備復(fù)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，實現(xiàn)了多種己糖從頭精準(zhǔn)合成。”

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。研究團隊開發(fā)了人工轉(zhuǎn)化二氧化碳從頭精準(zhǔn)合成糖技術(shù)，工程化設(shè)計改造酶蛋白分子的催化特性，實現(xiàn)了精準(zhǔn)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，同時高于已有的化學(xué)法制糖以及電化學(xué)—生物學(xué)耦聯(lián)的人工制糖方法，為目前人工合成糖路線中碳轉(zhuǎn)化效率的最高水平。

據(jù)介紹，整套實驗的反應(yīng)時長約17小時，與通過種植甘蔗等農(nóng)作物提取糖分的傳統(tǒng)方式相比，糖的獲取時長實現(xiàn)了從“年”到“小時”的跨越。此次糖合成的效率為0.67克每升每小時，比已知成果提高10倍以上。葡萄糖的碳固定合成效率達到每毫克催化劑每分鐘59.8納摩爾碳，是目前已知的國內(nèi)外人工制糖最高水平。

“這一成果所獲得糖可作為原料應(yīng)用于食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域，將緩解人口日益增長對糖需求的壓力。”楊建剛介紹，合成的葡萄糖等糖分子還可以作為工業(yè)生物制造關(guān)鍵原材料合成其他化學(xué)品，滿足人類其他物質(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(xué)家、生物催化領(lǐng)域?qū)＜摇⒌聡茖W(xué)院院士曼弗雷德·雷茨評價認為，該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(xué)打開了一扇門。（記者劉宏偉張璐）