繼 2021 年將二氧化碳合成澱粉之後，中國科學院天津工業生物技術研究所（下稱「天津工業生物所」）研究團隊，在人工合成碳水化合物領域取得又一重要突破。
圖 | 中國科學院天津工業生物技術研究所（來源：資料圖）
日前，他們設計並構建一個結構合理有效的人工化學酶合成系統，完成了從二氧化碳到糖的人工路徑（ACSP，artificial CO2 to-sugars pathway）的構建，獲得了反應步驟最短、腺嘌呤核苷三磷酸能量消耗最低的技術路線。
通過此，該團隊能以高效的熱力學驅動過程，將二氧化碳轉化為幾種己糖，為應對複雜糖結構、以及實現人工精準的可控合成打造了新的起點。
利用酶工程化的設計理念，他們將磷酸酶突變體的活性提高 600 多倍，讓己糖的精準合成更有保障。所合成的「果糖-6-磷酸」的碳轉化率達到 80% 以上。
目前，針對葡萄糖、甘露糖、阿洛酮糖、塔格糖等 4 種己糖，該團隊已經可以實現定向精準的合成，碳轉化率也高於傳統植物的光合作用，達到了目前人工製糖路線中碳轉化效率的最高水平。
同時，他們也形成了高效、可拓展的人工生物系統與新型製糖平台技術，能夠合成自然界植物中少量存在的稀少糖，為利用二氧化碳創造多樣的糖世界提供了可能。
通過本技術手段所獲得的糖可以作為食品和醫藥的原料，以緩解全球人口對於糖的需求壓力。而所合成的葡萄糖等糖分子，可以作為工業生物製造的關鍵原材料來合成其他化學品，以滿足人類其他物質需求。
針對本研究，國際著名有機化學家、德國科學院院士曼弗雷德·雷茨（Manfred T. Reetz）評價稱，該成果在這一競爭性研究領域取得了真正突破，提供了一種靈活性、多功能性和高效性糖合成路線，為綠色化學打開了一扇門。
西湖大學教授、德國工程院院士曾安平表示：「（這項）基於一碳化合物（二氧化碳或甲醇）精準合成己糖的工作，進一步拓展了一碳生物轉化途徑，通過醛縮酶及異構酶的挖掘實現了糖產物構型精準控制，一碳生物轉化效率也獲得顯著提高，為人工生物製糖提供了一個有潛力的路線。」
整體來看，這是合成生物學在二氧化碳-糖轉化上的一項重要新進展。同時，此次所打造的 ACSP 平台也是一種極富前途的二氧化碳轉化和糖合成平台，有望對生物技術、糧食安全和太空生物學產生廣泛影響。
隨著生活水平的提高，人們已經不僅僅滿足於溫飽需求，開始追求物質生活的多元化和健康化。
人工己糖的合成，為新型糖鏈合成提供了豐富的原材料，假如再結合更多的生物技術和化學技術，或能製備更加多樣的糖產品。這樣一來，在為二氧化碳轉化利用提供新方案的同時，還可以服務於健康中國目標和「雙碳」目標。
圖| 人工己糖合成路線設計（來源：Science Bulletin）
如何更好地吃糖？人類孜孜探索已久
眾所周知，糖是人類生命活動及日常生活中重要物質，可用於糖果、飲料、烹飪、藥品、工業製造等。全世界每年的糖產量和糖消費量均已突破億噸，糖已經成為日常生活中不可或缺的食品原料和能量來源。
近年來，該領域內的學者認為：人工合成碳水化合物可以提供一種新的生產模式，即提供一種無需依賴土地、淡水、種子、農藥等現有農業生產要素的生產模式。
隨著合成生物學發展，人工轉化合成碳水化合物的工程化推進，可以將二氧化碳轉化為各種糖，並能轉化為其他人類生產生活的必需品。
葡萄糖和果糖是自然界中含量最多的己糖，它們是生命結構與貯能的重要物質，也因此被稱為「營養糖」。己糖包括酮糖與醛糖，分別擁有 3 與 4 個手性中心，故能形成己糖結構的多樣性（24 種同分異構體）。
然而，除了自然界中含量豐富的葡萄糖、果糖等少數單糖之外，大多數己糖在自然界中的存量極少。
2002 年，國際稀少糖學會（ISRS，International Society of Refractive Surgery）將這類稀少存在的單糖定義為稀少糖。
作為果糖的 C3、C4 差向異構體，阿洛酮糖和塔格糖是典型的兩類稀少糖，被美國食品藥物管理局認定為一般公認的安全類食品添加劑。多年來，日本和美國等多國的製糖巨頭，一直在推進稀少糖的產業化。
這兩種稀少糖的甜味類似蔗糖，甜度為蔗糖 70-90%，具有低熱量、升糖指數接近零、無致齲齒性的特點，目前已被廣泛用於食品和飲料之中。尤其是作為糖尿病患者和肥胖人群的甜味劑，稀少糖具有重要的健康意義。
圖 | 己醛糖與己酮糖的手性中心（來源：資料圖）
不過，目前的糖主要是「種」出來的，即通過綠色植物的光合作用可以固定二氧化碳的合成從而生成澱粉，對澱粉進行加工之後，可以提取獲取葡萄糖和果糖。但是，這種依賴生物質資源的傳統製糖方法正面臨著一些挑戰。
首先，人類一直依賴甘蔗、甜菜等原料進行製糖，而這在將來可能存在供給不足；其次，受全球氣候變暖、土地退化、極端環境等影響，依賴種植來獲取原料的手段同樣面臨著重大風險；再次，在長期自然進化過程中，人類依然很難獲得某幾類稀少單糖。而這些單糖可能具有重要的生理功能，故被認為是「健康糖」。
為了擺脫糖資源對於自然種植提取的依賴，特別是隨著人們對於二氧化碳利用以及對於外星球探索需求的關注，在基於以二氧化碳為原料的人工合成碳水化合物上，全球學界已經開展了卓有成效的工作，多位科學家都曾做出不同程度的貢獻。
比如，美國加州大學伯克利分校教授楊培東團隊研發了電化學轉化二氧化碳合成糖的技術路線，即通過化學反應形成不同的糖類。憑藉這一成果，其還獲得了美國國家航空航天局的百年挑戰大獎。
國內電子科技大學教授夏川團隊則開發了電催化-酵母發酵耦聯的手段，通過利用酵母細胞的代謝功能，讓二氧化碳合成葡萄糖和脂肪酸成為可能。
但是，對於特定單一的糖產物來說，要想實現精準構型控制的人工合成，依然是擺在全球學界的難題之一。
此前，天津工業生物所團隊曾和中國科學院大連化學物理研究所的合作者，採取化酶耦合催化的方法，構建了從二氧化碳合成澱粉的非自然途徑。
基於此，在本次研究中天津工業生物所研究團隊針對關鍵酶蛋白分子進行了重點工程化改造。以一碳原料為起點，經過一系列酶促反應之後，可以形成精準的碳素聚合，從而實現己糖立體選擇性的精準控制，並能確保熱力學驅動合成糖的高效性。
十年「糖夢」，一朝實現
作為本次論文的共同通訊作者，孫媛霞對於此次成果的意義有著深刻感受。
圖 | 孫媛霞（來源：孫媛霞）
自 20 世紀 90 年代起，稀少糖研究領域的開拓者、日本稀少糖中心首席糖生物學家何森健（Ken Izumori）教授，通過對自然界單糖進化理論探索，在土壤中發現了「稀少糖誘導的稀少酶」的存在，自此開始利用分子生物學的方法開展稀少糖酶的研究。
通過稀少糖酶的開發，讓具有重要生理功能的健康糖的大規模製造走進現實，滿足了人們健康吃糖的需求。
十多年前，當孫媛霞還在日本稀少糖研究中心工作時，時常與 Izumori 教授交流。
後者曾提到：「以阿洛酮糖為代表的稀少糖，儘管非常安全、健康，但由於在自然界中只有微量的存在，因此無法通過提取手段來獲得。而隨著 Izumori 生產策略的建立，稀少糖開始規模化生產。然而，生產原料是澱粉，需要水解成葡萄糖，然後再進行單糖轉化。而自然界中的澱粉，是植物利用二氧化碳通過光化作用積累而來的。」
孫媛霞說：「從那時起在我的腦海中萌生一個念頭，隨著技術的發展能否構建一條自然界不存在的路徑，直接把二氧化碳轉化為糖？這樣一來，就可以不再依賴綠色植物的光合作用來積累澱粉等糖生物質資源，從而可以擺脫農業種植的傳統製糖模式。」
十多年後，已經回國加入天津工業生物所的孫媛霞，在馬延和研究員的帶領下，深度參與到人工合成澱粉的科研之中。經過 6 年的努力，研究所於 2021 年首次在實驗室實現了「二氧化碳人工合成澱粉」的重大突破。
如今，時隔兩年研究所又讓「二氧化碳變成糖」的夢想成真。在本次研究中，研究團隊先是仔細分析了二氧化碳人工合成澱粉途徑 ASAP。
其中，從化酶耦合到有機一碳、再從碳素聚合到三碳化合物，是關鍵的步驟之一。
完成這一步驟之後，只需要對關鍵酶進行替換，就可以形成新糖的合成途徑。隨後，他們又開展了途徑計算、酶蛋白髮掘設計改造、途徑優化等步驟。
一開始，當把通過不同模塊獲得的天然酶，放入人工設計途徑之中，他們幾乎檢測不到目標產物，也就是說多個酶放到一起時根本無法協同作用。
接著，通過不斷的嘗試他們解決了各個模塊與天然酶元件的適配問題，成功獲得了特定結構的己糖同分異構體。
其中，最讓孫媛霞難忘是，作為關鍵中間體的「果糖-6-磷酸」存在合成效率低的難題，導致己糖產率總是在較低水平徘徊。
在多次測試失敗之後，他們發現在多個三碳中間產物中，催化羥醛縮和反應的酶存在競爭性抑制、以及逆反應的問題。
「後來不知又經過了多少不眠之夜，我們終於獲得了底物特異性強、立體選擇性高的酶元件，讓建立己糖的人工合成體系向前邁了一大步。」孫媛霞說。
最終，相關論文以《由二氧化碳從頭人工合成己糖》（De novo artificial synthesis of hexoses from carbon dioxide）為題發在 Science Bulletin[1]，楊建剛是第一作者，天津工業生物所所長馬延和以及孫媛霞研究員擔任共同通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Science Bulletin）
不過，本次成果距離工業化生產還有很長的路要走。目前來看，還需要提升酶促反應催化劑的效率，進行回收利用、不同反應模塊之間的協同作用優化，以及擴大反應體系的規模。毫無疑問，這也是他們將要繼續努力耕耘的方向。
參考資料：
1.Yang, J., Song, W., Cai, T., Wang, Y., Zhang, X., Wang, W., ... & Ma, Y. (2023). De novo artificial synthesis of hexoses from carbon dioxide. Science Bulletin.