探索丨我國(guó)的二氧化碳制糖技術(shù)

糖是人類(lèi)生活不可或缺的重要物質(zhì)，同時(shí)也是工業(yè)制造的核心原料。其主要的來(lái)源仍然是植物類(lèi)生物質(zhì)資源，這一現(xiàn)狀是種出的結(jié)果，源于人類(lèi)長(zhǎng)期的探索和依賴(lài)。然而，傳統(tǒng)依賴(lài)“二氧化碳-生物質(zhì)資源-糖”的生產(chǎn)流程受到植物光合作用效率的制約，面臨著原料供應(yīng)的種種挑戰(zhàn)?；瘜W(xué)制糖的方法雖存在，但因其較低的轉(zhuǎn)化效率和人們對(duì)化學(xué)制品的疑慮，使得這一方法未能廣泛應(yīng)用。正是因此，科學(xué)家們渴望著利用生物方法制造出糖，即非糖類(lèi)生物質(zhì)資源的利用。這看似與二氧化碳這一溫室氣體、環(huán)境污染的源頭格格不入，但在我國(guó)科研人員的智慧與創(chuàng)新下，二者竟能巧妙結(jié)合，為糖的生產(chǎn)帶來(lái)了新的曙光。通過(guò)科研人員的努力，二氧化碳在糖的制造過(guò)程中發(fā)揮了重要作用，這不僅是對(duì)傳統(tǒng)制糖方式的革新，更是對(duì)環(huán)境保護(hù)和資源利用的新探索。

▏****科技背后的綠色魔法二氧化碳制糖技術(shù)，并非直接將二氧化碳轉(zhuǎn)化為糖類(lèi)物質(zhì)，而是科研人員通過(guò)創(chuàng)新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了從二氧化碳出發(fā)，精準(zhǔn)合成糖的突破。這項(xiàng)技術(shù)基于碳素縮合、異構(gòu)以及脫磷等酶促反應(yīng)，構(gòu)建了化學(xué)-酶耦聯(lián)的非天然轉(zhuǎn)化途徑。通過(guò)對(duì)酶蛋白分子的工程化設(shè)計(jì)改造，催化特性得以精準(zhǔn)控制，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同結(jié)構(gòu)與功能的己糖的合成。此項(xiàng)技術(shù)的碳轉(zhuǎn)化率不僅超越了傳統(tǒng)的植物光合作用，同時(shí)也優(yōu)于已報(bào)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，達(dá)到了當(dāng)前人工制糖路線中的最高水平。同時(shí)，此技術(shù)建立了可擴(kuò)展的生物系統(tǒng)，能夠進(jìn)一步拓展糖產(chǎn)物的種類(lèi)和構(gòu)型，為人工創(chuàng)造糖分子多樣性提供了可能。這一研究顛覆了以往依賴(lài)糖生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化制備復(fù)雜糖分子的模式，開(kāi)啟了一種靈活、可拓展的糖制造新模式。該技術(shù)能夠獲取自然界中稀有的功能糖分子，從而拓寬其應(yīng)用范圍。所合成的糖類(lèi)可作為食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域的原料，同時(shí)也可作為工業(yè)生物制造的關(guān)鍵原材料，用于合成其他化學(xué)品，滿(mǎn)足人類(lèi)的各種物質(zhì)需求，為負(fù)碳物質(zhì)的合成提供重要原料。這一成果在競(jìng)爭(zhēng)性研究領(lǐng)域取得了真正的突破，為綠色化學(xué)的發(fā)展打開(kāi)了一扇新的大門(mén)，展現(xiàn)出了其靈活性、多功能性和高效性。

▏****延伸二氧化碳合成淀粉之路在《科學(xué)》國(guó)際學(xué)術(shù)期刊上，我國(guó)科研人員首次宣布成功實(shí)現(xiàn)了二氧化碳直接人工合成淀粉的突破性進(jìn)展，這一過(guò)程不再依賴(lài)植物光合作用。這一里程碑式的成就引發(fā)了人們對(duì)于二氧化碳人工合成其他化合物的思考。除了淀粉，科學(xué)家們開(kāi)始探索合成與淀粉同為碳水化合物的糖類(lèi)物質(zhì)。糖是人類(lèi)生命活動(dòng)和日常生活中不可或缺的重要物質(zhì)，也是現(xiàn)代工業(yè)生物制造的關(guān)鍵原料。傳統(tǒng)上，人們通過(guò)物理、化學(xué)和生物手段，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的制糖過(guò)程，獲取葡萄糖、果糖等單糖。然而，傳統(tǒng)的制糖方法正面臨著挑戰(zhàn)。隨著人口增長(zhǎng)，對(duì)糖的需求量日益增加，而以甘蔗等作物為原料的制糖方式受限于植物光合作用的能量轉(zhuǎn)換效率，可能無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)的需求。此外，作物中糖的成分相對(duì)固定，難以獲取一些稀有或天然不存在的單糖。因此，眾多科學(xué)家開(kāi)始將目光投向人工合成糖類(lèi)物質(zhì)的研究。在二氧化碳合成糖項(xiàng)目被批準(zhǔn)立項(xiàng)后，這一研究得到了大批科研人員的積極響應(yīng)。他們充滿(mǎn)干勁地投入到這個(gè)新項(xiàng)目中，期待能夠開(kāi)拓出功能糖類(lèi)物質(zhì)的新領(lǐng)域，為人類(lèi)的生活和工業(yè)制造帶來(lái)新的可能性。從此，功能糖團(tuán)隊(duì)踏上了新的征程。

**▏****尋找最佳“候選者”**盡管二氧化碳合成淀粉取得了成功，但對(duì)于能否由二氧化碳進(jìn)一步合成糖類(lèi)物質(zhì)，我國(guó)科研人員尚持謹(jǐn)慎態(tài)度。這一議題在國(guó)內(nèi)外引發(fā)了眾多研究團(tuán)隊(duì)的關(guān)注，雖然已有多項(xiàng)相關(guān)研究開(kāi)展，但仍面臨諸多挑戰(zhàn)。特別地，由二氧化碳合成的糖類(lèi)往往是復(fù)合型糖，即多種糖類(lèi)混合物，這在未來(lái)的應(yīng)用中帶來(lái)了一定的障礙。部分研究團(tuán)隊(duì)能夠合成某些單一類(lèi)型的糖類(lèi)，但其合成效率尚處于較低水平?？蒲腥藛T認(rèn)為，人工合成糖與人工合成淀粉的原理類(lèi)似，均為合成碳水化合物的過(guò)程。這通常借助化學(xué)和酶耦合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)?；诖?，科研人員迅速明確了從二氧化碳到糖的合成路徑。在研究的初期階段，他們?nèi)〉昧艘恍┏醪竭M(jìn)展，但在尋找合適的催化劑時(shí)遇到了難題。他們嘗試從自然界中尋找天然的生物酶作為催化劑的候選者。然而，探索的道路上布滿(mǎn)了坎坷與挑戰(zhàn)。在每次實(shí)驗(yàn)中，無(wú)論哪一種催化劑的嘗試，都承載著我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)的期望。盡管偶爾在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中糖分子似乎“閃現(xiàn)”，但由于其轉(zhuǎn)化率過(guò)低，仍未能帶來(lái)實(shí)質(zhì)性的突破。然而，面對(duì)困境，功能糖研究團(tuán)隊(duì)并未氣餒，他們決心通過(guò)工程化設(shè)計(jì)對(duì)天然催化劑進(jìn)行改造。為了將二氧化碳轉(zhuǎn)化為葡萄糖，不僅需要化學(xué)催化劑的協(xié)助，還涉及七個(gè)酶元件的共同作用。團(tuán)隊(duì)成員進(jìn)行了廣泛篩選，從數(shù)百種酶元件中選出了最終需要的一百多個(gè)候選者。經(jīng)過(guò)數(shù)千次組合適配測(cè)試后，他們確定了那“最棒的七個(gè)”。他們每天對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行深入討論，尋找突破點(diǎn)并不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案。經(jīng)過(guò)一年半的努力和百余次的嘗試后，他們終于在上千個(gè)催化劑與組合中找到了最佳候選者。利用這些催化劑，二氧化碳合成糖的效率大幅提高，每升每小時(shí)能夠合成0.67克糖類(lèi)物質(zhì)，較之前已知的技術(shù)路線提升了十倍以上。同時(shí)，其碳固定合成效率也達(dá)到了業(yè)界領(lǐng)先的每毫克催化劑每分鐘59.8納摩爾碳的水平。盡管已經(jīng)取得了顯著的成果，但功能糖團(tuán)隊(duì)并未停下腳步。他們不僅成功實(shí)現(xiàn)了從二氧化碳到糖的精準(zhǔn)全合成過(guò)程，還構(gòu)建了人工生物系統(tǒng)。這一系統(tǒng)初步探索出了一種靈活、可擴(kuò)展的糖制造模式。這種模式所合成的糖類(lèi)物質(zhì)可以作為食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域的原料。此外，合成的葡萄糖等還可以作為工業(yè)生物制造的關(guān)鍵原材料，用于合成其他化學(xué)品，為負(fù)碳物質(zhì)的合成提供原料支持。目前，功能糖團(tuán)隊(duì)正在持續(xù)優(yōu)化這一模式，以期早日將這一成果推向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。他們深知科技改變世界的力量，期待著他們的努力能為人類(lèi)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)更多力量。在未來(lái)的日子里，他們將繼續(xù)以創(chuàng)新為動(dòng)力，探索更多可能性的同時(shí)不斷追求卓越和突破。

▏二氧化碳合成糖有哪些****實(shí)際應(yīng)用一、食品領(lǐng)域- 提供健康糖源：可精準(zhǔn)合成阿洛酮糖、塔格糖等稀少糖，其甜度與蔗糖相近，但熱量低、升糖指數(shù)低，作為天然甜味劑，能滿(mǎn)足消費(fèi)者對(duì)健康飲食的需求，開(kāi)發(fā)出更多低糖、低熱量的食品。- 保障食品供應(yīng)：不受自然條件限制，穩(wěn)定供應(yīng)糖原料，降低因自然災(zāi)害、土地資源短缺等造成的食品生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，確保食品行業(yè)穩(wěn)定發(fā)展。二、醫(yī)藥領(lǐng)域- 創(chuàng)新藥物研發(fā)：為新型藥物研發(fā)提供特殊結(jié)構(gòu)糖分子，如合成具有特定生理活性的寡糖、糖苷或糖醇等，用于開(kāi)發(fā)治療糖尿病、心血管疾病等的藥物，提高藥物療效和安全性。- 生產(chǎn)藥用輔料：按需合成高質(zhì)量藥用糖類(lèi)輔料，如可精準(zhǔn)控制純度和結(jié)構(gòu)的葡萄糖、乳糖等，保證藥物穩(wěn)定性、溶解性和生物利用度，推動(dòng)醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展。三、生物制造領(lǐng)域- 拓展生物基產(chǎn)品種類(lèi)：作為關(guān)鍵原料，通過(guò)發(fā)酵和生物合成，合成氨基酸、有機(jī)酸、生物燃料、生物塑料等多種生物基產(chǎn)品，減少對(duì)傳統(tǒng)化石資源的依賴(lài)，推動(dòng)生物制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展。- 提升生物制造效率：相比傳統(tǒng)植物提取糖的方式，合成糖的生產(chǎn)過(guò)程更易控制和優(yōu)化，可提高生物制造過(guò)程中糖原料的轉(zhuǎn)化效率和產(chǎn)品得率，降低生產(chǎn)成本，增強(qiáng)生物制造產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。四、環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展- 助力碳減排：大規(guī)模應(yīng)用后，可大量消耗二氧化碳，將其轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的糖產(chǎn)品，減少溫室氣體排放，助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，緩解全球氣候變化問(wèn)題。- 節(jié)約自然資源：降低制糖對(duì)土地、水等自然資源的依賴(lài)，實(shí)現(xiàn)資源的高效利用，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，為解決全球糧食安全問(wèn)題提供新思路。

▏****未來(lái)的路盡管面臨諸多挑戰(zhàn)，但我對(duì)二氧化碳制糖技術(shù)的未來(lái)充滿(mǎn)信心。隨著技術(shù)的不斷成熟和成本的逐步降低，它有望成為解決全球食品安全、減少碳排放、促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重要途徑之一。想象一下，未來(lái)有一天，我們不僅能享受到由二氧化碳轉(zhuǎn)化而來(lái)的健康、環(huán)保的糖，還能在日常生活中，通過(guò)選擇這樣的產(chǎn)品，為地球的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量，那該是多么美好的事情！更重要的是，二氧化碳制糖技術(shù)的成功實(shí)踐，將激勵(lì)更多人去探索和創(chuàng)新，尋找更多將廢棄物轉(zhuǎn)化為資源的可能性。這不僅是一場(chǎng)科技的革命，更是一次人類(lèi)思維方式的轉(zhuǎn)變，讓我們學(xué)會(huì)以更加開(kāi)放和包容的心態(tài)，去面對(duì)這個(gè)充滿(mǎn)無(wú)限可能的世界。（圖片源自網(wǎng)絡(luò)）
作者 | 幾維鳥(niǎo)畢業(yè)于新西蘭林肯大學(xué)。對(duì)大眾科普知識(shí)擁有濃厚興趣，曾在多個(gè)科普期刊上發(fā)表過(guò)科普文章。關(guān)注事實(shí)，積極探索前沿科技。

初審 | 陳嘉琦、李書(shū)豪復(fù)審 | 魏星華
終審 | 韓永林