近日，中國科學院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所馬延和研究員、孫媛霞研究員和副研究員楊建剛（第十一批會員）團隊，在人工轉(zhuǎn)化二氧化碳從頭精準合成糖方面取得新進展，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)，實現(xiàn)了多種己糖從頭精準合成，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8月16日選擇在國內(nèi)頂尖刊物《Science Bulletin（科學通報）》發(fā)表，研究成果收到中央電視臺、新華網(wǎng)等媒體廣泛關(guān)注。
糖是人類生命活動及日常生活中的重要物質(zhì),也是當今工業(yè)生物制造的關(guān)鍵原材料。己糖是在自然界廣泛分布、與機體營養(yǎng)代謝最為密切的糖的統(tǒng)稱。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“二氧化碳-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、全球變暖導致的極端天氣和自然災害，依賴于糖類生物質(zhì)資源的生產(chǎn)方式面臨著原料供應(yīng)安全和風險等問題。為解決這一系列問題，需要將這種傳統(tǒng)制糖過程向非糖類生物質(zhì)資源制造模式轉(zhuǎn)變。 研發(fā)團隊開發(fā)了人工轉(zhuǎn)化二氧化碳從頭精準合成糖技術(shù)，基于碳素縮合、異構(gòu)、脫磷等酶促反應(yīng)，與中國科學院大連化學物理研究所科研團隊合作，設(shè)計構(gòu)建化學-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。與此同時，建立了可進一步延伸糖產(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。 該研究成果是在二氧化碳合成淀粉基礎(chǔ)上的一個重大突破，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，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。 國際著名有機化學家，生物催化領(lǐng)域?qū)＜�，德國科學院院士Manfred T. Reetz（曼弗雷德·雷茨）就本成果評價稱，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、多功能性和高效性的糖合成路線，為綠色化學打開了一扇門。 該研究獲得到國家自然科學基金、天津市合成生物技術(shù)創(chuàng)新能力提升行動、中國科學院青年創(chuàng)新促進會等項目的支持。天津工業(yè)生物所楊建剛副研究員、宋皖博士、蔡韜研究員為論文的共同第一作者，孫媛霞研究員與馬延和研究員為論文的共同通訊作者。 
圖1 人工己糖合成路線設(shè)計 
圖2 人工轉(zhuǎn)化CO2合成葡萄糖體系
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