空氣變糖，不是魔術(shù)

毛振華　王井懷

2023年8月13日，在中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所實(shí)驗(yàn)室拍攝的一份人工合成己糖溶液樣品（孫凡越/ 攝）

回顧2023年國(guó)內(nèi)重大科技成果，有這樣一項(xiàng)成果繞不過(guò)去，那就是從二氧化碳到糖的精準(zhǔn)全合成。

從空氣到糖，如此奇妙的跨越讓人充滿(mǎn)無(wú)限遐想，如今在中國(guó)科學(xué)家的手中成為現(xiàn)實(shí)。這個(gè)跨越有著怎樣的緣起，如何實(shí)現(xiàn)，又將給我們的生活帶來(lái)怎樣的變化？《瞭望東方周刊》記者走進(jìn)這項(xiàng)科研成果的誕生地——中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所，一探究竟。

在天津?yàn)I海新區(qū)旗下空港經(jīng)濟(jì)區(qū)的一處幽靜道路旁，坐落著中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“研究所”）。該研究所由中國(guó)科學(xué)院和天津市人民政府共建，2012年11月29日通過(guò)驗(yàn)收，是專(zhuān)門(mén)從事生物技術(shù)創(chuàng)新、推動(dòng)工業(yè)領(lǐng)域生態(tài)發(fā)展的科研機(jī)構(gòu)。

步入中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所辦公大樓，首先映入眼簾的是密密麻麻一整面專(zhuān)利墻，顯示了該研究所的科研硬實(shí)力。

有沒(méi)有可能有一種顛覆模式，代替農(nóng)業(yè)種植提取淀粉，就像使用啤酒酵母做啤酒那樣。

該研究所從事二氧化碳的研究由來(lái)已久。2021年，中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所實(shí)現(xiàn)了從二氧化碳到淀粉的實(shí)驗(yàn)室人工合成，相關(guān)成果由國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》在線發(fā)表，一時(shí)蜚聲海外。

對(duì)此，論文通訊作者、中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所原所長(zhǎng)馬延和稱(chēng)：“中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，糧食問(wèn)題是頭等大事。大家做了很多努力，希望提高農(nóng)作物的生產(chǎn)效率。我們就想，有沒(méi)有可能有一種顛覆模式，代替農(nóng)業(yè)種植提取淀粉，就像使用啤酒酵母做啤酒那樣。一旦能實(shí)現(xiàn)，效率肯定會(huì)大幅提升，還能節(jié)約土地。”

據(jù)介紹，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)算法挖掘和篩選，團(tuán)隊(duì)鎖定了30條人工合成淀粉的可能路徑，反復(fù)研究實(shí)驗(yàn)，經(jīng)歷了數(shù)百次失敗。

“當(dāng)時(shí)，沒(méi)有文章，沒(méi)有成果，沒(méi)有產(chǎn)出，對(duì)團(tuán)隊(duì)來(lái)講壓力很大。”馬延和回憶道，為此他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)特別的組織機(jī)制，考核不以文章、產(chǎn)出為指標(biāo)，只看有沒(méi)有真正在工作、思考解決問(wèn)題。

據(jù)悉，中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所立了新規(guī)矩，科研人員選定科研方向后，不發(fā)表論文、不申請(qǐng)課題，同樣可以有體面的收入。科研人員的工作，不以論文多少、課題多少作為單純的衡量指標(biāo)。而是把社會(huì)貢獻(xiàn)度作為評(píng)價(jià)科研人員的主要指標(biāo)，關(guān)鍵看對(duì)國(guó)家、地方、科技發(fā)展作出的貢獻(xiàn)有多大，在科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界形成的影響有多大。

六年磨一劍，團(tuán)隊(duì)終于迎來(lái)突破。

馬延和表示，二氧化碳合成淀粉僅僅是“0到1”的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，萬(wàn)里長(zhǎng)征走出了第一步。

兩年后的2023年，站在合成淀粉成果的“肩膀”上，中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所與大連化學(xué)物理研究所科研團(tuán)隊(duì)合作，實(shí)現(xiàn)了又一次創(chuàng)新——從二氧化碳到糖的精準(zhǔn)全合成。這一成果發(fā)表在了國(guó)內(nèi)著名學(xué)術(shù)期《科學(xué)通報(bào)（Chinese Science Bulletin）》上。

“這一次，我們的研究實(shí)現(xiàn)了糖分子精準(zhǔn)從頭合成，解決了糖分子立體結(jié)構(gòu)可控的難題。”在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，身穿白大褂的中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所副研究員、論文第一作者楊建剛說(shuō)，這項(xiàng)在實(shí)驗(yàn)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。

這項(xiàng)突破是如何實(shí)現(xiàn)的？楊建剛娓娓道來(lái)。

科研團(tuán)隊(duì)從碳素縮合、異構(gòu)、脫磷等酶促反應(yīng)入手，首先用人工方式改造自然來(lái)源酶催化劑的催化特性，這也是此次研究的最關(guān)鍵創(chuàng)新。

進(jìn)入到實(shí)驗(yàn)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(guò)的酶等催化劑的催化作用下，僅用約17個(gè)小時(shí)，就高效、精準(zhǔn)獲得了葡萄糖、阿洛酮糖、塔格糖、甘露糖。

楊建剛表示，此次糖合成的效率為0.67克每升每小時(shí)，比此前成果提高10倍以上，碳轉(zhuǎn)化率高于傳統(tǒng)植物光合作用，是目前人工制糖路線中的最高水平。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。

德國(guó)科學(xué)院院士曼弗雷德·雷茨就此評(píng)價(jià)稱(chēng)，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(kāi)了一扇門(mén)。

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(shí)驗(yàn)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。”馬延和說(shuō)。

糖，每個(gè)人都不陌生。它用甜蜜的味道給人帶來(lái)快樂(lè)，但也讓高血糖慢性病等患者望而生畏。在這次科研創(chuàng)新中，研究人員首次成功實(shí)驗(yàn)合成4種己糖。那么，什么是己糖，合成它的必要性在哪兒呢？

“己糖是自然界中分布最廣、數(shù)量也最豐富的單糖，比如葡萄糖，就是自然界中含量最多的己糖，也是生命結(jié)構(gòu)與貯能的重要物質(zhì)。”楊建剛解說(shuō)道，人體所需要的70%左右的能量由糖提供，每克葡萄糖在人體內(nèi)氧化能產(chǎn)生4000卡能量。除葡萄糖外，己糖家族還有以阿洛酮糖、塔格糖為代表的稀少糖，它們具有與食糖相似的甜味口感，但具有優(yōu)秀的低升糖指數(shù)，對(duì)糖尿病等患者友好。

糖尿病是全球常見(jiàn)的慢性病之一。據(jù)國(guó)際糖尿病聯(lián)盟的數(shù)據(jù)，中國(guó)成人糖尿病患者正逐漸增加，2021年約有1.41億人，較2019年增長(zhǎng)21.55%。

在中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所，《瞭望東方周刊》記者品嘗到了含有阿洛酮糖的深紅色軟糖，其口味與一般軟糖差別不大。

據(jù)介紹，阿洛酮糖甜度約為蔗糖的70%，對(duì)促進(jìn)消化、控制體重、抑制血糖均能起到一定作用，是有助于減肥及改善體脂率的新一代天然甜味劑。不過(guò)，稀少糖無(wú)法通過(guò)提取進(jìn)行生產(chǎn)，這制約了其產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用推廣。這次研究成果，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)控制合成不同結(jié)構(gòu)與功能的己糖，包括相對(duì)更健康的稀少糖，有望建立可進(jìn)一步延伸糖產(chǎn)物種類(lèi)和構(gòu)型的生物系統(tǒng)。不同種類(lèi)糖的產(chǎn)業(yè)化都將因科研突破春山可望。

千百年來(lái)，“二氧化碳-生物質(zhì)資源-糖”的傳統(tǒng)加工過(guò)程，受到植物光合作用能量轉(zhuǎn)換效率限制。隨著土地退化，以及全球變暖導(dǎo)致的極端天氣頻發(fā)，傳統(tǒng)糖業(yè)正面臨供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)。

國(guó)際糖業(yè)組織預(yù)測(cè)，2024年度全球食糖產(chǎn)量將同比下降1.2%，至1.75億噸。在此背景下，人工高效、精準(zhǔn)制糖，有望幫助人類(lèi)減少來(lái)自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不確定性風(fēng)險(xiǎn)，更充分地滿(mǎn)足人類(lèi)對(duì)糖的需求。

楊建剛表示，新研究成果方法獲得的糖，可作為原料應(yīng)用于食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域，緩解日益增長(zhǎng)的人口對(duì)糖的需求壓力。

不僅如此，糖還是工業(yè)生物制造產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵原材料。當(dāng)前，工業(yè)發(fā)酵以葡萄糖等糖質(zhì)材料作為原料，其主要來(lái)源于玉米、馬鈴薯等糧食作物，存在與人爭(zhēng)糧的風(fēng)險(xiǎn)。

楊建剛稱(chēng)，合成的葡萄糖等糖分子可作為工業(yè)生物制造關(guān)鍵原材料，合成其他化學(xué)品。這個(gè)路線除了可以二氧化碳為原料，還能以煤炭、工業(yè)廢氣等原料制備甲醇，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為所需要的糖等碳水化合物。

“我國(guó)用占全球9%的耕地、6%的淡水資源生產(chǎn)的糧食，養(yǎng)活了占全球近20%的人口。”北京化工大學(xué)教授張一飛認(rèn)為，此次科研成果利用更少的能量，以更短的催化路徑精確合成了多種附加值更高的糖分子，為制糖提供了一條潛在非農(nóng)業(yè)路線，也為農(nóng)業(yè)工業(yè)化開(kāi)辟了新思路。

值得一提的是，在低碳發(fā)展成為全球大勢(shì)所趨的背景下，研究為二氧化碳的轉(zhuǎn)化利用提供了全新方案。人工轉(zhuǎn)化合成碳水化合物是消耗二氧化碳的過(guò)程，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為淀粉、糖等人類(lèi)生產(chǎn)生活必需品，一舉多得。當(dāng)前，二氧化碳的相關(guān)研究仍在推進(jìn)。

不久前，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所于濤課題組與美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的課題組發(fā)表了最新研究成果。該研究利用合成生物學(xué)和代謝工程手段開(kāi)發(fā)的酵母細(xì)胞平臺(tái)，可將低碳化合物如甲醇、乙醇、異丙醇等，轉(zhuǎn)化為糖及糖衍生物如葡萄糖、肌醇、氨基葡萄糖、蔗糖和淀粉。據(jù)悉，通過(guò)代謝重構(gòu)和葡萄糖抑制調(diào)控，葡萄糖和蔗糖的產(chǎn)量可達(dá)到每升數(shù)十克。這一成果有助于豐富基于可再生能源驅(qū)動(dòng)的農(nóng)業(yè)新范式。

科學(xué)家正不斷開(kāi)啟更多通向未知世界的大門(mén)，科技讓人們擁有了更多諸如二氧化碳變糖的“甜蜜”幸福感。