近日，中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所副研究員楊建剛帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在二氧化碳合成淀粉基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了多種己糖從頭精準(zhǔn)合成，使糖分子立體結(jié)構(gòu)可控，為擺脫自然合成途徑、利用二氧化碳創(chuàng)造多樣的糖世界提供了可能。

此項(xiàng)研究成果于8月16日發(fā)表在國(guó)內(nèi)刊物《科學(xué)通報(bào)》上。

近年來(lái)，人工合成糖一直是科學(xué)界孜孜以求的方向，我國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)從二氧化碳到糖的精準(zhǔn)全合成，邁出人工合成糖關(guān)鍵的一步。

【資料圖】

已糖與機(jī)體營(yíng)養(yǎng)代謝最密切

糖是自然界存在最多、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的化合物，是人類(lèi)食物與動(dòng)物賴(lài)以生存的重要物質(zhì)之一，人體所需70%左右的能量由糖提供。結(jié)構(gòu)和功能各異的糖家族被應(yīng)用于生活中的各個(gè)領(lǐng)域，包括糖果、飲料、烹飪、藥品、工業(yè)制造等。

楊建剛表示，按照糖的組成分類(lèi)包括單糖、雙糖、多糖等多種形式。單糖是碳水化合物中最基本的組成單位，根據(jù)碳原子數(shù)目又分為丙糖（3個(gè)碳原子）、丁糖（4個(gè)碳原子）、戊糖（5個(gè)碳原子）、己糖（6個(gè)碳原子）等，其中己糖與機(jī)體營(yíng)養(yǎng)代謝最為密切。

根據(jù)己糖的化學(xué)結(jié)構(gòu)，己糖包括24種構(gòu)型的糖分子。自然界中，除了葡萄糖、果糖等少數(shù)糖含量豐富外，大多數(shù)己糖在自然界中存在很少，2002年，這類(lèi)糖被國(guó)際稀少糖學(xué)會(huì)定義為稀少糖。

傳承百年制糖方法面臨挑戰(zhàn)

綠色植物通過(guò)光合作用固定二氧化碳，將淀粉、蔗糖等碳水化合物儲(chǔ)存在玉米、小麥、甘蔗等農(nóng)作物中。人們?yōu)榱双@取所需要的糖成分，采用物理、化學(xué)以及生物手段，經(jīng)過(guò)復(fù)雜制糖過(guò)程，獲得葡萄糖、果糖等單糖成分。然而，這種傳承了上百年的制糖方法，正在面臨一些挑戰(zhàn)。

首先，日益增長(zhǎng)的人口數(shù)量對(duì)糖需求量越來(lái)越高，依賴(lài)作物為原材料獲取糖成分的方式，受到植物光合作用能量轉(zhuǎn)換效率限制，在未來(lái)可能無(wú)法滿(mǎn)足需求；其次，隨著全球氣候變暖、土地退化、極端環(huán)境等影響，依賴(lài)土地種植獲取作物同樣面臨重大風(fēng)險(xiǎn)。此外，在長(zhǎng)期自然進(jìn)化過(guò)程中，作物中的糖成分已經(jīng)相對(duì)固定，難以獲得一些稀有的或者天然不存在的單糖成分。

人工合成糖應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

為了解決人類(lèi)對(duì)糖的需求，科學(xué)家嘗試將這種傳統(tǒng)制糖過(guò)程向非糖類(lèi)生物質(zhì)資源制造模式轉(zhuǎn)變。利用二氧化碳人工合成糖是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，雖然已經(jīng)做了很多探索嘗試，但仍存在合成糖產(chǎn)物為復(fù)合型糖類(lèi)、后期使用局限性大，合成的單糖效率不高等亟待攻克的難題。

楊建剛所在的團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)兩年的科研攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)了二氧化碳到糖的精準(zhǔn)全合成?！斑@一技術(shù)不依賴(lài)于植物種植的己糖合成方法，實(shí)現(xiàn)了人工轉(zhuǎn)化二氧化碳‘定制化’地合成多種己糖，提供了靈活性及多功能性的人工生物系統(tǒng)?！?/p>

據(jù)了解，該技術(shù)團(tuán)隊(duì)基于碳素縮合、異構(gòu)、脫磷等酶促反應(yīng)，與中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所科研團(tuán)隊(duì)合作，設(shè)計(jì)構(gòu)建化學(xué)—酶耦聯(lián)的非天然轉(zhuǎn)化途徑，工程化設(shè)計(jì)改造酶蛋白分子的催化特性，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)控制合成不同結(jié)構(gòu)與功能的己糖。

“這條路線(xiàn)從二氧化碳到葡萄糖需要一個(gè)化學(xué)催化劑和7個(gè)酶元件，如何實(shí)現(xiàn)這條路線(xiàn)的精準(zhǔn)、高效，就需要對(duì)7個(gè)酶元件進(jìn)行挖掘?！睏罱▌偙硎?，團(tuán)隊(duì)通過(guò)不斷進(jìn)行酶改造、挖掘，共篩選了4000多個(gè)突變體、100多個(gè)酶元件，經(jīng)過(guò)一兩百次的嘗試，終于成功實(shí)現(xiàn)了二氧化碳合成己糖。

該技術(shù)的糖合成能力高于傳統(tǒng)植物光合作用，同時(shí)也高于已報(bào)道的化學(xué)法制糖以及電化學(xué)—生物學(xué)耦聯(lián)的人工制糖方法，是目前人工制糖路線(xiàn)中碳轉(zhuǎn)化效率的最高水平。

成果顛覆了依賴(lài)糖生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化制備復(fù)雜糖分子的范式，所獲得糖可作為原料應(yīng)用于食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域，還可作為工業(yè)生物制造關(guān)鍵原材料合成其他化學(xué)品，進(jìn)一步滿(mǎn)足人類(lèi)的其他物質(zhì)需求，從而為負(fù)碳物質(zhì)合成提供原料供給，也為綠色化學(xué)打開(kāi)了一扇門(mén)。

楊建剛表示，研究成果實(shí)現(xiàn)了人工精準(zhǔn)合成己糖技術(shù)路線(xiàn)突破，但距離工業(yè)化生產(chǎn)還有很長(zhǎng)的路要走，仍需要解決相關(guān)科學(xué)與工程技術(shù)問(wèn)題。