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继 2021 年将二氧化碳合成淀粉之后，中国科学院天津工业生物技术研究所（下称“天津工业生物所”）研究团队，在人工合成碳水化合物领域取得又一重要突破。

图 | 中国科学院天津工业生物技术研究所（来源：资料图）

日前，他们设计并构建一个结构合理有效的人工化学酶合成系统，完成了从二氧化碳到糖的人工路径（ACSP，artificial CO₂ to-sugars pathway）的构建，获得了反应步骤最短、腺嘌呤核苷三磷酸能量消耗最低的技术路线。

通过此，该团队能以高效的热力学驱动过程，将二氧化碳转化为几种己糖，为应对复杂糖结构、以及实现人工精准的可控合成打造了新的起点。

利用酶工程化的设计理念，他们将磷酸酶突变体的活性提高 600 多倍，让己糖的精准合成更有保障。所合成的“果糖-6-磷酸”的碳转化率达到 80% 以上。

目前，针对葡萄糖、甘露糖、阿洛酮糖、塔格糖等 4 种己糖，该团队已经可以实现定向精准的合成，碳转化率也高于传统植物的光合作用，达到了目前人工制糖路线中碳转化效率的最高水平。

同时，他们也形成了高效、可拓展的人工生物系统与新型制糖平台技术，能够合成自然界植物中少量存在的稀少糖，为利用二氧化碳创造多样的糖世界提供了可能。

通过本技术手段所获得的糖可以作为食品和医药的原料，以缓解全球人口对于糖的需求压力。而所合成的葡萄糖等糖分子，可以作为工业生物制造的关键原材料来合成其他化学品，以满足人类其他物质需求。

针对本研究，国际著名有机化学家、德国科学院院士曼弗雷德·雷茨（Manfred T. Reetz）评价称，该成果在这一竞争性研究领域取得了真正突破，提供了一种灵活性、多功能性和高效性糖合成路线，为绿色化学打开了一扇门。

西湖大学教授、德国工程院院士曾安平表示：“（这项）基于一碳化合物（二氧化碳或甲醇）精准合成己糖的工作，进一步拓展了一碳生物转化途径，通过醛缩酶及异构酶的挖掘实现了糖产物构型精准控制，一碳生物转化效率也获得显著提高，为人工生物制糖提供了一个有潜力的路线。”

整体来看，这是合成生物学在二氧化碳-糖转化上的一项重要新进展。同时，此次所打造的 ACSP 平台也是一种极富前途的二氧化碳转化和糖合成平台，有望对生物技术、粮食安全和太空生物学产生广泛影响。

随着生活水平的提高，人们已经不仅仅满足于温饱需求，开始追求物质生活的多元化和健康化。

人工己糖的合成，为新型糖链合成提供了丰富的原材料，假如再结合更多的生物技术和化学技术，或能制备更加多样的糖产品。这样一来，在为二氧化碳转化利用提供新方案的同时，还可以服务于健康中国目标和“双碳”目标。

图| 人工己糖合成路线设计（来源：Science Bulletin）

如何更好地吃糖？人类孜孜探索已久 

众所周知，糖是人类生命活动及日常生活中重要物质，可用于糖果、饮料、烹饪、药品、工业制造等。全世界每年的糖产量和糖消费量均已突破亿吨，糖已经成为日常生活中不可或缺的食品原料和能量来源。

近年来，该领域内的学者认为：人工合成碳水化合物可以提供一种新的生产模式，即提供一种无需依赖土地、淡水、种子、农药等现有农业生产要素的生产模式。

随着合成生物学发展，人工转化合成碳水化合物的工程化推进，可以将二氧化碳转化为各种糖，并能转化为其他人类生产生活的必需品。

葡萄糖和果糖是自然界中含量最多的己糖，它们是生命结构与贮能的重要物质，也因此被称为“营养糖”。己糖包括酮糖与醛糖，分别拥有 3 与 4 个手性中心，故能形成己糖结构的多样性（24 种同分异构体）。

然而，除了自然界中含量丰富的葡萄糖、果糖等少数单糖之外，大多数己糖在自然界中的存量极少。

2002 年，国际稀少糖学会（ISRS，International Society of Refractive Surgery）将这类稀少存在的单糖定义为稀少糖。

作为果糖的 C3、C4 差向异构体，阿洛酮糖和塔格糖是典型的两类稀少糖，被美国食品药物管理局认定为一般公认的安全类食品添加剂。多年来，日本和美国等多国的制糖巨头，一直在推进稀少糖的产业化。

这两种稀少糖的甜味类似蔗糖，甜度为蔗糖 70-90%，具有低热量、升糖指数接近零、无致龋齿性的特点，目前已被广泛用于食品和饮料之中。尤其是作为糖尿病患者和肥胖人群的甜味剂，稀少糖具有重要的健康意义。

图 | 己醛糖与己酮糖的手性中心（来源：资料图）

不过，目前的糖主要是“种”出来的，即通过绿色植物的光合作用可以固定二氧化碳的合成从而生成淀粉，对淀粉进行加工之后，可以提取获取葡萄糖和果糖。但是，这种依赖生物质资源的传统制糖方法正面临着一些挑战。

首先，人类一直依赖甘蔗、甜菜等原料进行制糖，而这在将来可能存在供给不足；其次，受全球气候变暖、土地退化、极端环境等影响，依赖种植来获取原料的手段同样面临着重大风险；再次，在长期自然进化过程中，人类依然很难获得某几类稀少单糖。而这些单糖可能具有重要的生理功能，故被认为是“健康糖”。

为了摆脱糖资源对于自然种植提取的依赖，特别是随着人们对于二氧化碳利用以及对于外星球探索需求的关注，在基于以二氧化碳为原料的人工合成碳水化合物上，全球学界已经开展了卓有成效的工作，多位科学家都曾做出不同程度的贡献。

比如，美国加州大学伯克利分校教授杨培东团队研发了电化学转化二氧化碳合成糖的技术路线，即通过化学反应形成不同的糖类。凭借这一成果，其还获得了美国国家航空航天局的百年挑战大奖。

国内电子科技大学教授夏川团队则开发了电催化-酵母发酵耦联的手段，通过利用酵母细胞的代谢功能，让二氧化碳合成葡萄糖和脂肪酸成为可能。

但是，对于特定单一的糖产物来说，要想实现精准构型控制的人工合成，依然是摆在全球学界的难题之一。

此前，天津工业生物所团队曾和中国科学院大连化学物理研究所的合作者，采取化酶耦合催化的方法，构建了从二氧化碳合成淀粉的非自然途径。

基于此，在本次研究中天津工业生物所研究团队针对关键酶蛋白分子进行了重点工程化改造。以一碳原料为起点，经过一系列酶促反应之后，可以形成精准的碳素聚合，从而实现己糖立体选择性的精准控制，并能确保热力学驱动合成糖的高效性。

十年“糖梦”，一朝实现  

作为本次论文的共同通讯作者，孙媛霞对于此次成果的意义有着深刻感受。

图 | 孙媛霞（来源：孙媛霞）

自 20 世纪 90 年代起，稀少糖研究领域的开拓者、日本稀少糖中心首席糖生物学家何森健（Ken Izumori）教授，通过对自然界单糖进化理论探索，在土壤中发现了“稀少糖诱导的稀少酶”的存在，自此开始利用分子生物学的方法开展稀少糖酶的研究。

通过稀少糖酶的开发，让具有重要生理功能的健康糖的大规模制造走进现实，满足了人们健康吃糖的需求。

十多年前，当孙媛霞还在日本稀少糖研究中心工作时，时常与 Izumori 教授交流。

后者曾提到：“以阿洛酮糖为代表的稀少糖，尽管非常安全、健康，但由于在自然界中只有微量的存在，因此无法通过提取手段来获得。而随着 Izumori 生产策略的建立，稀少糖开始规模化生产。然而，生产原料是淀粉，需要水解成葡萄糖，然后再进行单糖转化。而自然界中的淀粉，是植物利用二氧化碳通过光化作用积累而来的。”

孙媛霞说：“从那时起在我的脑海中萌生一个念头，随着技术的发展能否构建一条自然界不存在的路径，直接把二氧化碳转化为糖？这样一来，就可以不再依赖绿色植物的光合作用来积累淀粉等糖生物质资源，从而可以摆脱农业种植的传统制糖模式。”

十多年后，已经回国加入天津工业生物所的孙媛霞，在马延和研究员的带领下，深度参与到人工合成淀粉的科研之中。经过 6 年的努力，研究所于 2021 年首次在实验室实现了“二氧化碳人工合成淀粉”的重大突破。

如今，时隔两年研究所又让“二氧化碳变成糖”的梦想成真。在本次研究中，研究团队先是仔细分析了二氧化碳人工合成淀粉途径 ASAP。

其中，从化酶耦合到有机一碳、再从碳素聚合到三碳化合物，是关键的步骤之一。

完成这一步骤之后，只需要对关键酶进行替换，就可以形成新糖的合成途径。随后，他们又开展了途径计算、酶蛋白发掘设计改造、途径优化等步骤。

一开始，当把通过不同模块获得的天然酶，放入人工设计途径之中，他们几乎检测不到目标产物，也就是说多个酶放到一起时根本无法协同作用。

接着，通过不断的尝试他们解决了各个模块与天然酶元件的适配问题，成功获得了特定结构的己糖同分异构体。

其中，最让孙媛霞难忘是，作为关键中间体的“果糖-6-磷酸”存在合成效率低的难题，导致己糖产率总是在较低水平徘徊。

在多次测试失败之后，他们发现在多个三碳中间产物中，催化羟醛缩和反应的酶存在竞争性抑制、以及逆反应的问题。

“后来不知又经过了多少不眠之夜，我们终于获得了底物特异性强、立体选择性高的酶元件，让建立己糖的人工合成体系向前迈了一大步。”孙媛霞说。

最终，相关论文以《由二氧化碳从头人工合成己糖》（De novo artificial synthesis of hexoses from carbon dioxide）为题发在 Science Bulletin[1]，杨建刚是第一作者，天津工业生物所所长马延和以及孙媛霞研究员担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Science Bulletin）

不过，本次成果距离工业化生产还有很长的路要走。目前来看，还需要提升酶促反应催化剂的效率，进行回收利用、不同反应模块之间的协同作用优化，以及扩大反应体系的规模。毫无疑问，这也是他们将要继续努力耕耘的方向。

运营/排版：何晨龙