二氧化碳合成糖 為綠色化學打開一扇門
發(fā)布時間：2023-08-27 06:15:54
來源：科普時報
近日，中國科學院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所副研究員楊建剛帶領(lǐng)團隊在二氧化碳合成淀粉基礎上，實現(xiàn)了多種己糖從頭精準合成，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。
此項研究成果于8月16日發(fā)表在國內(nèi)刊物《科學通報》上。
近年來，人工合成糖一直是科學界孜孜以求的方向，我國科學家實現(xiàn)從二氧化碳到糖的精準全合成，邁出人工合成糖關(guān)鍵的一步。
【資料圖】
已糖與機體營養(yǎng)代謝最密切
糖是自然界存在最多、結(jié)構(gòu)最復雜的化合物，是人類食物與動物賴以生存的重要物質(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用于生活中的各個領(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個碳原子）、丁糖（4個碳原子）、戊糖（5個碳原子）、己糖（6個碳原子）等，其中己糖與機體營養(yǎng)代謝最為密切。
根據(jù)己糖的化學結(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，這類糖被國際稀少糖學會定義為稀少糖。
傳承百年制糖方法面臨挑戰(zhàn)
綠色植物通過光合作用固定二氧化碳，將淀粉、蔗糖等碳水化合物儲存在玉米、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、化學以及生物手段，經(jīng)過復雜制糖過程，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，日益增長的人口數(shù)量對糖需求量越來越高，依賴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，在未來可能無法滿足需求；其次，隨著全球氣候變暖、土地退化、極端環(huán)境等影響，依賴土地種植獲取作物同樣面臨重大風險。此外，在長期自然進化過程中，作物中的糖成分已經(jīng)相對固定，難以獲得一些稀有的或者天然不存在的單糖成分。
人工合成糖應用領(lǐng)域廣泛
為了解決人類對糖的需求，科學家嘗試將這種傳統(tǒng)制糖過程向非糖類生物質(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的研究熱點，雖然已經(jīng)做了很多探索嘗試，但仍存在合成糖產(chǎn)物為復合型糖類、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。
楊建剛所在的團隊經(jīng)過兩年的科研攻關(guān)，實現(xiàn)了二氧化碳到糖的精準全合成。“這一技術(shù)不依賴于植物種植的己糖合成方法，實現(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)。”
據(jù)了解，該技術(shù)團隊基于碳素縮合、異構(gòu)、脫磷等酶促反應，與中國科學院大連化學物理研究所科研團隊合作，設計構(gòu)建化學—酶耦聯(lián)的非天然轉(zhuǎn)化途徑，工程化設計改造酶蛋白分子的催化特性，實現(xiàn)了精準控制合成不同結(jié)構(gòu)與功能的己糖。
“這條路線從二氧化碳到葡萄糖需要一個化學催化劑和7個酶元件，如何實現(xiàn)這條路線的精準、高效，就需要對7個酶元件進行挖掘。”楊建剛表示，團隊通過不斷進行酶改造、挖掘，共篩選了4000多個突變體、100多個酶元件，經(jīng)過一兩百次的嘗試，終于成功實現(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，同時也高于已報道的化學法制糖以及電化學—生物學耦聯(lián)的人工制糖方法，是目前人工制糖路線中碳轉(zhuǎn)化效率的最高水平。
成果顛覆了依賴糖生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化制備復雜糖分子的范式，所獲得糖可作為原料應用于食品、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品，進一步滿足人類的其他物質(zhì)需求，從而為負碳物質(zhì)合成提供原料供給，也為綠色化學打開了一扇門。
楊建剛表示，研究成果實現(xiàn)了人工精準合成己糖技術(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)科學與工程技術(shù)問題。
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