面對空氣中的二氧化碳，實驗室里又會有怎樣的奇思妙想呢？在中國科學(xué)家手中，二氧化碳被人工精準(zhǔn)合成了人體不可或缺的糖，實現(xiàn)了華麗轉(zhuǎn)身。
別小覷了這顆糖，它關(guān)聯(lián)著“國之大者”。一方面，人工高效、精準(zhǔn)制糖，可為食品、醫(yī)藥、工業(yè)制造等領(lǐng)域提供更加健康、多元的原材料，助力健康中國和“雙碳”戰(zhàn)略；另一方面，打破“二氧化碳—生物質(zhì)資源—糖”的傳統(tǒng)加工模式，可降低來自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面的不確定性風(fēng)險，有益于保障國家糧食安全。
為綠色化學(xué)打開一扇門
兩年前，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所實現(xiàn)了從二氧化碳到淀粉的實驗室人工合成，蜚聲海內(nèi)外。兩年后，站在合成淀粉成果的“肩膀”上，該研究所與中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所科研團(tuán)隊合作，實現(xiàn)了又一次創(chuàng)新飛躍。
走進(jìn)中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所辦公大樓，映入眼簾的是密密麻麻一整面專利墻。“這次我們的研究實現(xiàn)了糖分子精準(zhǔn)從頭合成，使糖分子立體結(jié)構(gòu)可控。”在實驗室內(nèi)，身穿白大褂的副研究員、論文第一作者楊建剛說。這項在實驗室里結(jié)出的碩果，為跳出自然束縛、利用二氧化碳創(chuàng)造多樣的糖提供了可能。
科研團(tuán)隊從碳素縮合、異構(gòu)、脫磷等酶促反應(yīng)入手，用人工方式改造自然來源酶催化劑的催化特性，是此次研究的最關(guān)鍵創(chuàng)新。進(jìn)入實驗操作環(huán)節(jié)，研究人員將二氧化碳等原料在反應(yīng)溶液中按一定比例調(diào)配，在人工改造過的酶等催化劑的催化作用下，僅用約17個小時，就高效、精準(zhǔn)獲得葡萄糖、阿洛酮糖、塔格糖、甘露糖4種己糖。
楊建剛表示，該過程的碳轉(zhuǎn)化率高于傳統(tǒng)植物光合作用，比已知的化學(xué)法制糖以及電化學(xué)-生物學(xué)耦合的人工制糖方法有更高的效率。與通過種植甘蔗等農(nóng)作物提取糖分的傳統(tǒng)方式相比，糖的獲取時長實現(xiàn)了從“年”到“小時”的跨越。
8月13日，在中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所實驗室，副研究員楊建剛正在做人工合成己糖實驗 金立旺 攝
除了高效，研究成果的另一大突出特性是精準(zhǔn)。換言之，想合成什么樣的糖，在實驗環(huán)節(jié)就能人為控制。“這是人工碳水合成領(lǐng)域的又一重要成果。”中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所所長馬延和認(rèn)為，這項研究是應(yīng)對復(fù)雜糖結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)人工精準(zhǔn)可控合成的新突破。
德國科學(xué)院院士曼弗雷德·雷茨就論文給出的評價意見認(rèn)為，從二氧化碳轉(zhuǎn)化為糖是特別有挑戰(zhàn)性的工作。這一成果提供了一種靈活性、多功能性和高效性的糖合成路線，為綠色化學(xué)打開了一扇門。
稀少糖產(chǎn)業(yè)化未來可期
“自然界中含量最豐富的單糖就是己糖，與機體的營養(yǎng)代謝關(guān)系最密切。”楊建剛解釋說。糖的主要功能是提供熱量，人體所需要的70%左右的能量由糖提供。
科研新突破，空氣似蜜甜。在研究所，半月談記者嘗到了含有阿洛酮糖的深紅色軟糖，口味與一般軟糖差別不大，但它大有來頭。阿洛酮糖甜度約為蔗糖的70%，口感純正，幾乎不含卡路里，對促進(jìn)消化、控制體重、抑制血糖均能起到一定的作用，是有助于減肥及改善體脂率的新一代天然甜味劑。
葡萄糖是自然界中含量最多的己糖之一，除此之外，大多數(shù)己糖在自然界中非常稀少。以阿洛酮糖、塔格糖為代表的稀少糖，具有與食糖相似的口感，但升糖指數(shù)低。
不過，稀少糖無法通過提取進(jìn)行生產(chǎn)，這就制約了稀少糖的產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用推廣。20世紀(jì)90年代，日本學(xué)者在土壤中發(fā)現(xiàn)了“稀少糖誘導(dǎo)的稀少酶”的存在，從此開始利用分子生物學(xué)方法進(jìn)行稀少糖酶研究，推動阿洛酮糖的產(chǎn)業(yè)化。
富含“健康糖”的產(chǎn)品已在部分國家上市。隨著產(chǎn)業(yè)化持續(xù)推進(jìn)，相信在不久的將來，日常生活中我們也能看到含有“健康糖”的飲料、蛋糕等食品。不同種類糖的產(chǎn)業(yè)化，都將因科研突破春山可望。
開創(chuàng)糖來源多元化局面
“二氧化碳—生物質(zhì)資源—糖”的傳統(tǒng)加工過程，受到植物光合作用能量轉(zhuǎn)換效率限制。同時，由于土地退化和短缺，全球氣候變暖導(dǎo)致的極端天氣和自然災(zāi)害頻發(fā)，依賴于糖類生物質(zhì)資源的生產(chǎn)方式正面臨著供應(yīng)安全風(fēng)險。
人工高效、精準(zhǔn)制糖，有望幫助減少來自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不確定性風(fēng)險，更充分地滿足人類對糖的需求。海關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2022年，我國糖累計進(jìn)口25.64億美元，同比增長12.33%;進(jìn)口數(shù)量為527.6萬噸。長遠(yuǎn)看，人工合成糖有望更好地滿足國內(nèi)的糖需求。
楊建剛表示，這套研究方法獲得的糖，可作為原料應(yīng)用于食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域，緩解日益增長的人口對糖的需求壓力。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。
數(shù)據(jù)顯示，我國用占全球9%的耕地、6%的淡水資源，養(yǎng)活了占全球近20%的人口，這是了不起的成就。研究團(tuán)隊成員宋皖說，糖在食品、生物醫(yī)藥、工業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。該成果為在工業(yè)條件下直接制糖開辟了新路徑，降低了對土地和水的依賴。
北京化工大學(xué)教授張一飛認(rèn)為，利用更少的能量，以更短的催化路徑精確地合成多種附加值更高的糖分子，為制糖提供了一條非農(nóng)業(yè)路線，也為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化開辟了新思路。
在低碳發(fā)展已是大勢所趨的當(dāng)下，二氧化碳的轉(zhuǎn)化利用顯得尤為重要。人工轉(zhuǎn)化合成碳水化合物是消耗二氧化碳的過程，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為淀粉、糖等人類生產(chǎn)生活必需品，將減少二氧化碳排放，助力“雙碳”目標(biāo)早日實現(xiàn)。（半月談記者 毛振華 王井懷）
（來源：半月談）
