通過(guò)二氧化碳，科學(xué)家可以“定制”你的快樂(lè)

糖是自然界存在最多、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的化合物，又稱(chēng)碳水化合物，是人類(lèi)食物與動(dòng)物賴(lài)以生存的重要物質(zhì)之一，人體所需要的70%左右的能量由糖提供?！疤鹗呈谷丝鞓?lè)”，很大程度上是因?yàn)槠渲械奶墙o了我們甜蜜、愉悅、歡快的感覺(jué)。

不過(guò)，從古至今，獲得糖的過(guò)程可不像吃糖那么快樂(lè)。地球上的綠色植物通過(guò)光合作用固定二氧化碳，將淀粉、蔗糖等碳水化合物儲(chǔ)存在玉米、小麥、甘蔗、水果等作物中。人們需要采用物理、化學(xué)以及生物手段，經(jīng)歷復(fù)雜制糖過(guò)程，才能獲得糖。

據(jù)文獻(xiàn)記載，在大約4000年前，中國(guó)掌握了熬制飴糖的技術(shù)，從谷物、薯類(lèi)淀粉中制取甜食，名為“飴”，例如《詩(shī)經(jīng)·大雅》中有“周原滕臁，堇荼如飴”的詩(shī)句，說(shuō)明西周時(shí)就已有飴糖。到了唐朝，蔗糖制作技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展，砂糖開(kāi)始出現(xiàn)，并從皇室貢品開(kāi)始走向民間。大約在18世紀(jì)，德國(guó)科學(xué)家馬格拉夫從甜菜中提取成功蔗糖，真正使得糖消費(fèi)平民化。

時(shí)至今日，人們已經(jīng)能制出種類(lèi)紛繁，結(jié)構(gòu)和功能各異的糖家族，應(yīng)用于生活中的各個(gè)領(lǐng)域，包括糖果、飲料、烹飪、藥品、工業(yè)制造等。全世界每年糖的產(chǎn)量和消費(fèi)量均已突破億噸，已成為人們生活中不可或缺的食品原料和能量來(lái)源。

但是，這種傳統(tǒng)的“二氧化碳——生物質(zhì)資源——糖”的制糖方法，正在面臨一些挑戰(zhàn)。

首先，日益增長(zhǎng)的人口數(shù)量對(duì)糖需求量越來(lái)越高，受到植物光合作用能量轉(zhuǎn)換效率限制，依賴(lài)作物為原材料獲取糖成分的方式在未來(lái)可能無(wú)法滿(mǎn)足需求；

其次，隨著土地退化和短缺、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(lài)于糖類(lèi)生物質(zhì)資源的生產(chǎn)方式面臨著原料供應(yīng)安全和風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題；

再次，在長(zhǎng)期自然進(jìn)化過(guò)程中，作物中的糖成分已經(jīng)相對(duì)固定，難以獲得一些稀有的或者天然不存在的單糖成分，這些單糖成分有可能具有重要生理功能。

等等，這種“稀有的糖”是什么？有什么特別的功能？

一種稀少而又健康的糖

糖的分類(lèi)包括單糖、雙糖、多糖。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(gè)碳原子）、丁糖（4個(gè)碳原子）、戊糖（5個(gè)碳原子）、己糖（6個(gè)碳原子）等，其中己糖是自然界含量最豐富的單糖，與機(jī)體營(yíng)養(yǎng)代謝最為密切。

葡萄糖、果糖是自然界中含量最多的已糖。饅頭等食物被人吃下后，最終會(huì)以葡萄糖的形式進(jìn)入人體血液，輸送到人體不同器官或生產(chǎn)能量或轉(zhuǎn)化成人體所需要的蛋白質(zhì)、脂肪等。因此，葡萄糖被譽(yù)為生命結(jié)構(gòu)與貯能的重要物質(zhì)。果糖被譽(yù)為“最甜”的單糖，廣泛存在于蜂蜜中。

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)已糖在自然界中存在很少，2002年這類(lèi)糖被國(guó)際稀少糖學(xué)會(huì)定義為稀少糖。所謂的稀少糖，主要是指自然界中含量稀少的一類(lèi)單糖。

其中，阿洛酮糖是一種重要的稀少糖，其甜味類(lèi)似蔗糖(甜度為蔗糖70%)，熱量低(0.4Kcal/g)、幾乎零升糖指數(shù)(GI)。研究證明，阿洛酮糖具有抑制血糖上升及預(yù)防肥胖作用，有可能成為改善糖尿病、肥胖人群的食糖替代品。

稀少糖作為甜味劑不僅可以滿(mǎn)足人們對(duì)甜味的渴求，還展現(xiàn)出對(duì)身體有益的生理功效。隨著各國(guó)減糖及征收糖稅政策的實(shí)施，預(yù)計(jì)稀少糖的需求將不斷提高。

但是問(wèn)題又來(lái)了，在自然界中，“健康糖”的原料稀少，只靠傳統(tǒng)的制造方法肯定無(wú)法滿(mǎn)足需要。

這時(shí)，你會(huì)不會(huì)想起“二氧化碳變淀粉”？淀粉就是由葡萄糖聚合而成的，既然二氧化碳可以變成淀粉，能不能變成其他結(jié)構(gòu)的6碳糖呢？

糖的“定制”合成：從“年”到“小時(shí)”的跨越

近期，中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所（簡(jiǎn)稱(chēng)“天津工業(yè)生物所”）開(kāi)發(fā)了人工轉(zhuǎn)化二氧化碳從頭精準(zhǔn)合成糖技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了二氧化碳“定制化”合成多種己糖，構(gòu)建了靈活性、高效性及多功能性的人工生物系統(tǒng)，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。

2021年，天津工業(yè)生物所在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了從二氧化碳到淀粉的人工合成，證明了不依賴(lài)于自然的人工合成路徑的可行性，為研究所二氧化碳合成糖的研究奠定了技術(shù)基礎(chǔ)

站在淀粉成果的肩膀上，天津工業(yè)生物所基于碳素縮合、異構(gòu)、脫磷等酶促反應(yīng)，與中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所科研團(tuán)隊(duì)合作，設(shè)計(jì)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(jì)改造酶蛋白分子的催化特性，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)控制合成不同結(jié)構(gòu)與功能的己糖，其中就包括阿洛酮糖等稀有糖。

整套實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)約17小時(shí)。與通過(guò)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(shí)長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)了從“年”到“小時(shí)”的跨越。

此次糖合成的效率為0.67克每升每小時(shí)，比已知研究提高10倍以上。葡萄糖的碳固定合成效率達(dá)到每毫克催化劑每分鐘59.8納摩爾碳，是目前已知的國(guó)內(nèi)外人工制糖最高水平。與此同時(shí)，建立了可進(jìn)一步延伸糖產(chǎn)物種類(lèi)和構(gòu)型的生物系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)人工創(chuàng)造糖分子多樣性。

該研究成果是在二氧化碳合成淀粉基礎(chǔ)上的一個(gè)重大突破，顛覆了依賴(lài)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，還可作為工業(yè)生物制造關(guān)鍵原材料合成其他化學(xué)品，進(jìn)一步滿(mǎn)足人類(lèi)的其他物質(zhì)需求。這項(xiàng)研究還為二氧化碳轉(zhuǎn)化利用提供了新的方案：將二氧化碳轉(zhuǎn)化為淀粉、糖等生產(chǎn)生活必需品，將減少二氧化碳排放。

國(guó)際著名有機(jī)化學(xué)家，生物催化領(lǐng)域?qū)＜遥聡?guó)科學(xué)院院士Manfred T. Reetz（曼弗雷德·雷茨）評(píng)價(jià)稱(chēng)，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳水化合物是一個(gè)特別有趣的想法，也是非常具有挑戰(zhàn)的。成果在這一競(jìng)爭(zhēng)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。

現(xiàn)在，我們實(shí)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(zhǎng)的路要走，相信隨著科技的進(jìn)步，相關(guān)科學(xué)與工程技術(shù)問(wèn)題能夠得到解決。我們不但能“定制”給人們帶來(lái)快樂(lè)的糖，也能“定制”出低碳發(fā)展的明天。