糖是人类生产生活中的一种重要物质，也是当今工业生物制造的关键原材料。而要实现高效精准的人工制糖并非易事。近日，由中国科学院天津工业生物技术研究所研发的人工转化二氧化碳从头精准合成糖技术取得新进展。这一研究成果高效、精准地实现了己糖的人工合成，为利用二氧化碳创造结构、功能多样的糖产品提供了有力支撑。

　　己糖与机体营养代谢最密切

　　糖是自然界存在最多、结构最复杂的化合物之一，也是人类食物与动物赖以生存的重要物质之一，人体所需70%左右的能量由糖提供。结构和功能各异的糖家族被应用于生活中的各个领域，包括糖果、饮料、烹饪、药品、工业制造等。

　　按照糖的组成分类包括单糖、双糖、多糖等多种形式。单糖是碳水化合物中最基本的组成单位，根据碳原子数目又分为丙糖（3个碳原子）、丁糖（4个碳原子）、戊糖（5个碳原子）、己糖（6个碳原子）等，其中己糖与机体营养代谢最为密切。

　　己糖在自然界分布广，数量多，与机体的营养代谢十分密切。生活中常见的葡萄糖、果糖、半乳糖都属于己糖。根据己糖的化学结构，己糖包括24种构型的糖分子。但在自然界中，除了葡萄糖、果糖等少数糖含量丰富外，大多数己糖在自然界中存在很少，2002年，这类糖被国际稀少糖学会定义为稀少糖。

　　传承百年制糖方法面临挑战

　　绿色植物通过光合作用固定二氧化碳，将淀粉、蔗糖等碳水化合物储存在玉米、小麦、甘蔗等农作物中。人们为了获取所需要的糖成分，采用物理、化学以及生物手段，经过复杂制糖过程，获得葡萄糖、果糖等单糖成分。然而，这种传承了上百年的制糖方法，正在面临一些挑战。

　　首先，日益增长的人口数量对糖需求量越来越高，依赖作物为原材料获取糖成分的方式，受到植物光合作用能量转换效率限制，在未来可能无法满足需求；其次，随着全球气候变暖、土地退化、极端环境等影响，依赖土地种植获取作物同样面临重大风险。此外，在长期自然进化过程中，作物中的糖成分已经相对固定，难以获得一些稀有的或者天然不存在的单糖成分。

　　二氧化碳合成糖应用广泛

　　为了解决人类对糖的需求，科学家尝试将这种传统制糖过程向非糖类生物质资源制造模式转变。利用二氧化碳人工合成糖是近年来的研究热点，虽然已经做了很多探索尝试，但仍存在合成糖产物为复合型糖类、后期使用局限性大，合成的单糖效率不高等亟待攻克的难题。

　　中国科学院天津工业生物技术研究所的研发团队经过两年的科研攻关，实现了二氧化碳到糖的精准合成。这一技术不依赖于植物种植的己糖合成方法，实现了人工转化二氧化碳“定制化”地合成多种己糖，提供了灵活性及多功能性的人工生物系统。

　　据了解，该技术团队基于碳素缩合、异构、脱磷等酶促反应，与中国科学院大连化学物理研究所科研团队合作，设计构建化学—酶耦联的非天然转化途径，工程化设计改造酶蛋白分子的催化特性，实现了精准控制合成不同结构与功能的己糖。

　　这条路线从二氧化碳到葡萄糖需要一个化学催化剂和7个酶元件，如何实现这条路线的精准、高效，就需要对7个酶元件进行挖掘。团队通过不断进行酶改造、挖掘，共筛选了4000多个突变体、100多个酶元件，经过一两百次的尝试，终于成功实现了二氧化碳合成己糖。

　　该技术的糖合成能力高于传统植物光合作用，同时也高于已报道的化学法制糖以及电化学—生物学耦联的人工制糖方法，是目前人工制糖路线中碳转化效率的最高水平。

　　该成果颠覆了依赖糖生物质资源转化制备复杂糖分子的范式，所获得糖可作为原料应用于食品、医药等领域，还可作为工业生物制造关键原材料合成其他化学品，进一步满足人类对其他物质的需求，从而为负碳物质合成提供原料供给，也为绿色化学打开了一扇门。