未来可期！二氧化碳在中国科学家手中实现了华丽转身

时间：2023-10-30 16:12:33  来源：  作者：

　　面对空气中的二氧化碳，实验室里又会有怎样的奇思妙想呢？在中国科学家手中，二氧化碳被人工精准合成了人体不可或缺的糖，实现了华丽转身。

 

　　别小觑了这颗糖，它关联着“国之大者”。一方面，人工高效、精准制糖，可为食品、医药、工业制造等领域提供更加健康、多元的原材料，助力健康中国和“双碳”战略；另一方面，打破“二氧化碳—生物质资源—糖”的传统加工模式，可降低来自农业生产方面的不确定性风险，有益于保障国家粮食安全。

 

　　为绿色化学打开一扇门

 

　　两年前，中国科学院天津工业生物技术研究所实现了从二氧化碳到淀粉的实验室人工合成，蜚声海内外。两年后，站在合成淀粉成果的“肩膀”上，该研究所与中国科学院大连化学物理研究所科研团队合作，实现了又一次创新飞跃。

 

　　走进中国科学院天津工业生物技术研究所办公大楼，映入眼帘的是密密麻麻一整面专利墙。“这次我们的研究实现了糖分子精准从头合成，使糖分子立体结构可控。”在实验室内，身穿白大褂的副研究员、论文第一作者杨建刚说。这项在实验室里结出的硕果，为跳出自然束缚、利用二氧化碳创造多样的糖提供了可能。

 

　　科研团队从碳素缩合、异构、脱磷等酶促反应入手，用人工方式改造自然来源酶催化剂的催化特性，是此次研究的最关键创新。进入实验操作环节，研究人员将二氧化碳等原料在反应溶液中按一定比例调配，在人工改造过的酶等催化剂的催化作用下，仅用约17个小时，就高效、精准获得葡萄糖、阿洛酮糖、塔格糖、甘露糖4种己糖。

 

　　杨建刚表示，该过程的碳转化率高于传统植物光合作用，比已知的化学法制糖以及电化学-生物学耦合的人工制糖方法有更高的效率。与通过种植甘蔗等农作物提取糖分的传统方式相比，糖的获取时长实现了从“年”到“小时”的跨越。

 

　　8月13日，在中国科学院天津工业生物技术研究所实验室，副研究员杨建刚正在做人工合成己糖实验 金立旺 摄

 

　　除了高效，研究成果的另一大突出特性是精准。换言之，想合成什么样的糖，在实验环节就能人为控制。“这是人工碳水合成领域的又一重要成果。”中国科学院天津工业生物技术研究所所长马延和认为，这项研究是应对复杂糖结构、实现人工精准可控合成的新突破。

 

　　德国科学院院士曼弗雷德·雷茨就论文给出的评价意见认为，从二氧化碳转化为糖是特别有挑战性的工作。这一成果提供了一种灵活性、多功能性和高效性的糖合成路线，为绿色化学打开了一扇门。

 

　　稀少糖产业化未来可期

 

　　“自然界中含量最丰富的单糖就是己糖，与机体的营养代谢关系最密切。”杨建刚解释说。糖的主要功能是提供热量，人体所需要的70%左右的能量由糖提供。

 

　　科研新突破，空气似蜜甜。在研究所，半月谈记者尝到了含有阿洛酮糖的深红色软糖，口味与一般软糖差别不大，但它大有来头。阿洛酮糖甜度约为蔗糖的70%，口感纯正，几乎不含卡路里，对促进消化、控制体重、抑制血糖均能起到一定的作用，是有助于减肥及改善体脂率的新一代天然甜味剂。

 

　　葡萄糖是自然界中含量最多的己糖之一，除此之外，大多数己糖在自然界中非常稀少。以阿洛酮糖、塔格糖为代表的稀少糖，具有与食糖相似的口感，但升糖指数低。

 

　　不过，稀少糖无法通过提取进行生产，这就制约了稀少糖的产业化及应用推广。20世纪90年代，日本学者在土壤中发现了“稀少糖诱导的稀少酶”的存在，从此开始利用分子生物学方法进行稀少糖酶研究，推动阿洛酮糖的产业化。

 

　　富含“健康糖”的产品已在部分国家上市。随着产业化持续推进，相信在不久的将来，日常生活中我们也能看到含有“健康糖”的饮料、蛋糕等食品。不同种类糖的产业化，都将因科研突破春山可望。

 

　　开创糖来源多元化局面

 

　　“二氧化碳—生物质资源—糖”的传统加工过程，受到植物光合作用能量转换效率限制。同时，由于土地退化和短缺，全球气候变暖导致的极端天气和自然灾害频发，依赖于糖类生物质资源的生产方式正面临着供应安全风险。

 

　　人工高效、精准制糖，有望帮助减少来自农业生产的不确定性风险，更充分地满足人类对糖的需求。海关数据显示，2022年，我国糖累计进口25.64亿美元，同比增长12.33%;进口数量为527.6万吨。长远看，人工合成糖有望更好地满足国内的糖需求。

 

　　杨建刚表示，这套研究方法获得的糖，可作为原料应用于食品、医药等领域，缓解日益增长的人口对糖的需求压力。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。

 

　　数据显示，我国用占全球9%的耕地、6%的淡水资源，养活了占全球近20%的人口，这是了不起的成就。研究团队成员宋皖说，糖在食品、生物医药、工业等领域有着广泛的应用。该成果为在工业条件下直接制糖开辟了新路径，降低了对土地和水的依赖。

 

　　北京化工大学教授张一飞认为，利用更少的能量，以更短的催化路径精确地合成多种附加值更高的糖分子，为制糖提供了一条非农业路线，也为农业现代化开辟了新思路。

 

　　在低碳发展已是大势所趋的当下，二氧化碳的转化利用显得尤为重要。人工转化合成碳水化合物是消耗二氧化碳的过程，将二氧化碳转化为淀粉、糖等人类生产生活必需品，将减少二氧化碳排放，助力“双碳”目标早日实现。