空氣變糖，不是魔術

毛振華　王井懷

2023年8月13日，在中國科學院天津工業生物技術研究所實驗室拍攝的一份人工合成己糖溶液樣品（孫凡越/ 攝）

回顧2023年國內重大科技成果，有這樣一項成果繞不過去，那就是從二氧化碳到糖的精準全合成。

從空氣到糖，如此奇妙的跨越讓人充滿無限遐想，如今在中國科學家的手中成為現實。這個跨越有著怎樣的緣起，如何實現，又將給我們的生活帶來怎樣的變化？《瞭望東方周刊》記者走進這項科研成果的誕生地——中國科學院天津工業生物技術研究所，一探究竟。

在天津濱海新區旗下空港經濟區的一處幽靜道路旁，坐落著中國科學院天津工業生物技術研究所（以下簡稱“研究所”）。該研究所由中國科學院和天津市人民政府共建，2012年11月29日通過驗收，是專門從事生物技術創新、推動工業領域生態發展的科研機構。

步入中國科學院天津工業生物技術研究所辦公大樓，首先映入眼簾的是密密麻麻一整面專利墻，顯示了該研究所的科研硬實力。

有沒有可能有一種顛覆模式，代替農業種植提取淀粉，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已久。2021年，中國科學院天津工業生物技術研究所實現了從二氧化碳到淀粉的實驗室人工合成，相關成果由國際知名學術期刊《科學》在線發表，一時蜚聲海外。

對此，論文通訊作者、中國科學院天津工業生物技術研究所原所長馬延和稱：“中國是農業大國，糧食問題是頭等大事。大家做了很多努力，希望提高農作物的生產效率。我們就想，有沒有可能有一種顛覆模式，代替農業種植提取淀粉，就像使用啤酒酵母做啤酒那樣。一旦能實現，效率肯定會大幅提升，還能節約土地。”

據介紹，經過計算機算法挖掘和篩選，團隊鎖定了30條人工合成淀粉的可能路徑，反復研究實驗，經歷了數百次失敗。

“當時，沒有文章，沒有成果，沒有產出，對團隊來講壓力很大。”馬延和回憶道，為此他們設計了一個特別的組織機制，考核不以文章、產出為指標，只看有沒有真正在工作、思考解決問題。

據悉，中國科學院天津工業生物技術研究所立了新規矩，科研人員選定科研方向后，不發表論文、不申請課題，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。而是把社會貢獻度作為評價科研人員的主要指標，關鍵看對國家、地方、科技發展作出的貢獻有多大，在科學界和產業界形成的影響有多大。

六年磨一劍，團隊終于迎來突破。

馬延和表示，二氧化碳合成淀粉僅僅是“0到1”的實驗結果，萬里長征走出了第一步。

兩年后的2023年，站在合成淀粉成果的“肩膀”上，中國科學院天津工業生物技術研究所與大連化學物理研究所科研團隊合作，實現了又一次創新——從二氧化碳到糖的精準全合成。這一成果發表在了國內著名學術期《科學通報（Chinese Science Bulletin）》上。

“這一次，我們的研究實現了糖分子精準從頭合成，解決了糖分子立體結構可控的難題。”在實驗室內，身穿白大褂的中國科學院天津工業生物技術研究所副研究員、論文第一作者楊建剛說，這項在實驗室里結出的碩果，為跳出自然束縛，利用二氧化碳創造多樣的糖提供了可能。

這項突破是如何實現的？楊建剛娓娓道來。

科研團隊從碳素縮合、異構、脫磷等酶促反應入手，首先用人工方式改造自然來源酶催化劑的催化特性，這也是此次研究的最關鍵創新。

進入到實驗操作環節，研究人員將二氧化碳等原料在反應溶液中按一定比例調配，在人工改造過的酶等催化劑的催化作用下，僅用約17個小時，就高效、精準獲得了葡萄糖、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，比此前成果提高10倍以上，碳轉化率高于傳統植物光合作用，是目前人工制糖路線中的最高水平。與通過種植甘蔗等農作物提取糖分的傳統方式相比，糖的獲取時長實現了從“年”到“小時”的跨越。

德國科學院院士曼弗雷德·雷茨就此評價稱，從二氧化碳轉化為糖是特別有挑戰性的工作，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，為綠色化學打開了一扇門。

除了高效，研究成果的另一大突出特性是精準。

換言之，想合成什么樣的糖，在實驗環節就能人為控制。“這是人工碳水合成領域的又一重要成果。”馬延和說。

糖，每個人都不陌生。它用甜蜜的味道給人帶來快樂，但也讓高血糖慢性病等患者望而生畏。在這次科研創新中，研究人員首次成功實驗合成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，也是生命結構與貯能的重要物質。”楊建剛解說道，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氧化能產生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，但具有優秀的低升糖指數，對糖尿病等患者友好。

糖尿病是全球常見的慢性病之一。據國際糖尿病聯盟的數據，中國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21.55%。

在中國科學院天津工業生物技術研究所，《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。

據介紹，阿洛酮糖甜度約為蔗糖的70%，對促進消化、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，稀少糖無法通過提取進行生產，這制約了其產業化及應用推廣。這次研究成果，實現了精準控制合成不同結構與功能的己糖，包括相對更健康的稀少糖，有望建立可進一步延伸糖產物種類和構型的生物系統。不同種類糖的產業化都將因科研突破春山可望。

千百年來，“二氧化碳-生物質資源-糖”的傳統加工過程，受到植物光合作用能量轉換效率限制。隨著土地退化，以及全球變暖導致的極端天氣頻發，傳統糖業正面臨供應風險。

國際糖業組織預測，2024年度全球食糖產量將同比下降1.2%，至1.75億噸。在此背景下，人工高效、精準制糖，有望幫助人類減少來自農業生產的不確定性風險，更充分地滿足人類對糖的需求。

楊建剛表示，新研究成果方法獲得的糖，可作為原料應用于食品、醫藥等領域，緩解日益增長的人口對糖的需求壓力。

不僅如此，糖還是工業生物制造產業的關鍵原材料。當前，工業發酵以葡萄糖等糖質材料作為原料，其主要來源于玉米、馬鈴薯等糧食作物，存在與人爭糧的風險。

楊建剛稱，合成的葡萄糖等糖分子可作為工業生物制造關鍵原材料，合成其他化學品。這個路線除了可以二氧化碳為原料，還能以煤炭、工業廢氣等原料制備甲醇，進一步轉化為所需要的糖等碳水化合物。

“我國用占全球9%的耕地、6%的淡水資源生產的糧食，養活了占全球近20%的人口。”北京化工大學教授張一飛認為，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業路線，也為農業工業化開辟了新思路。

值得一提的是，在低碳發展成為全球大勢所趨的背景下，研究為二氧化碳的轉化利用提供了全新方案。人工轉化合成碳水化合物是消耗二氧化碳的過程，將二氧化碳轉化為淀粉、糖等人類生產生活必需品，一舉多得。當前，二氧化碳的相關研究仍在推進。

不久前，中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所于濤課題組與美國加州大學伯克利分校的課題組發表了最新研究成果。該研究利用合成生物學和代謝工程手段開發的酵母細胞平臺，可將低碳化合物如甲醇、乙醇、異丙醇等，轉化為糖及糖衍生物如葡萄糖、肌醇、氨基葡萄糖、蔗糖和淀粉。據悉，通過代謝重構和葡萄糖抑制調控，葡萄糖和蔗糖的產量可達到每升數十克。這一成果有助于豐富基于可再生能源驅動的農業新范式。

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