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記者從中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所了解到，該所成功構(gòu)建了靈活性、高效性及多功能性的人工生物系統(tǒng)，第一次實現(xiàn)了多種己糖從頭精準(zhǔn)合成，解決了糖分子立體結(jié)構(gòu)可控的難題，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。研究成果于北京時間8月16日晚間在國內(nèi)頂尖刊物《Science Bulletin（科學(xué)通報）》發(fā)表。
糖是自然界中最豐富的有機化合物，是人類生命活動及日常生活中重要物質(zhì),也是組成淀粉、纖維素、蔗糖等基本組分單元。其種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且不同產(chǎn)物構(gòu)型的糖分子往往具有不同的生理功能。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“CO2-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；最重要的是，由于土地退化和短缺、生態(tài)系統(tǒng)退化、全球變暖導(dǎo)致的極端天氣和自然災(zāi)害，依賴于糖類生物質(zhì)資源的生產(chǎn)方式面臨著供應(yīng)安全和風(fēng)險。因此，迫切需要尋求替代糖生產(chǎn)方式。
人工合成碳水化合物是國際研發(fā)熱點，美國加州大學(xué)伯克利分校報道了電化學(xué)轉(zhuǎn)化二氧化碳合成糖的技術(shù)路線，并獲得美國國家航空航天局百年挑戰(zhàn)大獎；我國科學(xué)家研發(fā)了電催化-酵母發(fā)酵耦聯(lián)的方式合成葡萄糖，但糖分子合成不可控，或者仍然依賴生物自然功能，實際上糖分子從頭人工設(shè)計合成仍然沒有突破。
研究團隊開發(fā)人工轉(zhuǎn)化CO2從頭精準(zhǔn)合成糖技術(shù)，基于碳素縮合、異構(gòu)、脫磷等酶促反應(yīng)，設(shè)計構(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，同時高于已報道的化學(xué)法制糖以及電化學(xué)-生物學(xué)耦聯(lián)的人工制糖方法，為目前人工合成糖路線中碳轉(zhuǎn)化效率的最高水平。與此同時，建立了可進(jìn)一步延伸糖產(chǎn)物種類和構(gòu)型的生物系統(tǒng)，可實現(xiàn)人工創(chuàng)造糖分子多樣性。
該研究成果是二氧化碳合成淀粉攻關(guān)過程中“沿途下蛋”的一個重要突破，顛覆了依賴糖生物質(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，從而拓展應(yīng)用范圍。所獲得糖可作為原料應(yīng)用于食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域，緩解人口日益增長對糖需求壓力。所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(fù)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)＜?德國科學(xué)院院Manfred T. Reetz（曼弗雷德·雷茨）就本成果評價稱，認(rèn)為將二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳水化合物是一個特別有趣的想法，也是非常具有挑戰(zhàn)的。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)打開一扇門，未來可以期待這種方法將取得更多成功。
研究成果實現(xiàn)了人工精準(zhǔn)合成己糖技術(shù)路線突破，但距離工業(yè)化生產(chǎn)還有很長的路要走，仍需要解決相關(guān)酶促反應(yīng)效率、模塊之間協(xié)同作用、高能化合物的供給和回收、反應(yīng)體系規(guī)模放大等科學(xué)與工程技術(shù)問題。
