糖是人类生命活动及日常生活中重要物质,也是当今工业生物制造的关键原材料。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；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原料供应安全和风险等问题。为解决这一系列问题，需要将这种传统制糖过程向非糖类生物质资源制造模式转变。人工合成糖是近年来科学界孜孜以求的方向，在此之前，全球已有多位科学家作出不同程度的贡献，而要实现高效精准的人工制糖并非易事。【液态阳光】获悉，2021年9月，中国科学院天津工业生物技术研究所首次在实验室实现了从二氧化碳到淀粉的人工全合成。不到两年时间，8月16日，天津工业生物所实验室实现了从二氧化碳到糖的精准全合成，人工合成糖迈出关键一步。著名学术期刊《科学通报》刊发了这一最新研究成果。为了能够更高效精准的实现人工制糖，中国科学院天津工业生物技术研究所功能糖与天然活性物质研究团队围绕上述问题和挑战，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合作，建立了化学-酶级联转化二氧化碳合成己糖人工合成途径，通过酶分子改造技术提升了天然酶活性、底物特异性等催化性能，构建了碳一-碳三-碳六三个功能模块，通过模块化组装，体外实现了精准控制合成不同结构与功能的己糖。论文第一作者杨建刚介绍，团队将高浓度二氧化碳等原料在反应溶液中按一定比例调配，在化学催化剂和酶催化剂的作用下，得到了葡萄糖、阿洛酮糖、塔格糖、甘露糖4种己糖。己糖又称为六碳糖，是含有6个碳原子的单糖。己糖在自然界分布广，数量多，与机体的营养代谢十分密切。生活中常见的葡萄糖、果糖、半乳糖都属于己糖。整套实验的反应时长约17小时。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。此次糖合成的效率为0.67克每升每小时，比已知成果提高10倍以上。葡萄糖的碳固定合成效率达到每毫克催化剂每分钟59.8纳摩尔碳，高于已公开报道的化学法合成糖、电化学-酵母发酵耦联法合成糖等人工制糖方法，是目前已知的国内外人工制糖最高水平。本研究所构建的糖人工合成系统可进一步耦联其他酶促生物化学反应，制备结构多样的糖分子及其衍生物。因此，研究成果建立了一种从二氧化碳、甲醇、甲醛等碳一化合物合成己糖方法，实现了较高转化效率与精准可控构型的已糖人工合成，将为从非生物质原料转化形成多样性的人工糖产物提供一种可能性。 研究还实现了人工合成糖的精准控制。“通过控制不同酶的不同催化效果，理论上可以合成几乎任一类型的糖。”杨建刚说。杨建刚介绍，这项科研相当于提供了一个不依赖于土地或者不依赖于种植的一个路线，是构建了自然界不存在的一个合成路线。它的路线更短，需要的能量更少，更高效，而且它能够精准地控制产物的构型，提高产物的选择性，降低后期的分离成本。在中国科学院天津工业生物技术研究所实验室，杨建刚副研究员（前中）、宋皖博士（前左）等团队成员合影 德国科学院院士曼弗雷德·雷茨就论文给出评价意见认为，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。据了解，未来科研团队通过该技术还能够进一步合成寡糖、糖苷或糖醇等化合物，获得自然界含量稀少甚至不存在的糖分子，作为原料应用于食品、医药和生物制造等领域。https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2095927323005510文章来源：中国科学院天津工业生物技术研究所，转载仅供学习参考，版权归原作者所有，如有问题，请联系我们处理
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