作者：楊建剛  孫媛霞

今天要講的是一個“二氧化碳變成糖”的故事，而且是變成不少人夢寐以求的“健康糖”。

吃糖很快樂，獲得糖的過程可未必

糖是自然界存在最多、結構最復雜的化合物，又稱碳水化合物，是人類食物與動物賴以生存的重要物質之一，人體所需要的70%左右的能量由糖提供。“甜食使人快樂”，很大程度上是因為其中的糖給了我們甜蜜、愉悅、歡快的感覺。

不過，從古至今，獲得糖的過程可不像吃糖那么快樂。地球上的綠色植物通過光合作用固定二氧化碳，將淀粉、蔗糖等碳水化合物儲存在玉米、小麥、甘蔗、水果等作物中。人們需要采用物理、化學以及生物手段，經歷復雜制糖過程，才能獲得糖。

據(jù)文獻記載，在大約4000年前，中國掌握了熬制飴糖的技術，從谷物、薯類淀粉中制取甜食，名為“飴”，例如《詩經·大雅》中有“周原膴膴，堇荼如飴”的詩句，說明西周時就已有飴糖。到了唐朝，蔗糖制作技術取得了突破性的進展，砂糖開始出現(xiàn)，并從皇室貢品開始走向民間。大約在18世紀，德國科學家馬格拉夫從甜菜中成功提取蔗糖，真正使得糖消費平民化。

時至今日，人們已經能制出種類紛繁，結構和功能各異的糖家族，應用于生活中的各個領域，包括糖果、飲料、烹飪、藥品、工業(yè)制造等。全世界每年糖的產量和消費量均已突破億噸，已成為人們生活中不可或缺的食品原料和能量來源。

但是，這種傳統(tǒng)的“二氧化碳—生物質資源—糖”的制糖方法，正在面臨一些挑戰(zhàn)。

制糖廠和甘蔗

首先，日益增長的人口數(shù)量對糖需求量越來越高，受到植物光合作用能量轉換效率限制，依賴作物為原材料獲取糖成分的方式在未來可能無法滿足需求；

其次，隨著土地退化和短缺、生態(tài)系統(tǒng)退化、全球變暖導致的極端天氣和自然災害，依賴于糖類生物質資源的生產方式面臨著原料供應安全和風險等問題；

再次，在長期自然進化過程中，作物中的糖成分已經相對固定，難以獲得一些稀有的或者天然不存在的單糖成分，這些單糖成分有可能具有重要生理功能。

等等，這種“稀有的糖”是什么？有什么特別的功能？

一種稀少而又健康的糖

糖的分類包括單糖、雙糖、多糖。單糖是碳水化合物中最基本的組成單位，根據(jù)碳原子數(shù)目又分為丙糖（3個碳原子）、丁糖（4個碳原子）、戊糖（5個碳原子）、己糖（6個碳原子）等，其中己糖是自然界含量最豐富的單糖，與機體營養(yǎng)代謝最為密切。

葡萄糖、果糖是自然界中含量最多的己糖。饅頭等食物被人吃下后，最終會以葡萄糖的形式進入人體血液，輸送到人體不同器官，或生產能量，或轉化成人體所需要的蛋白質、脂肪等。因此，葡萄糖被譽為生命結構與貯能的重要物質。果糖被譽為“最甜”的單糖，廣泛存在于蜂蜜中。

自然界中，除了葡萄糖、果糖等少數(shù)糖含量豐富外，大多數(shù)己糖在自然界中存在很少，2002年這類糖被國際稀少糖學會定義為稀少糖。所謂的稀少糖，主要是指自然界中含量稀少的一類單糖。

稀少糖自然界含量示范圖（圖片來源：國際稀少糖學會ISRS）

其中，阿洛酮糖是一種重要的稀少糖，其甜味類似蔗糖（甜度為蔗糖的70%），熱量低（0.4Kcal/g）、幾乎零升糖指數(shù)（GI）。研究證明，阿洛酮糖具有抑制血糖上升及預防肥胖作用，有可能成為改善糖尿病、肥胖人群的食糖替代品。（文獻來源：Nature Communication,2018,9,113）

稀少糖作為甜味劑不僅可以滿足人們對甜味的渴求，還展現(xiàn)出對身體有益的生理功效。隨著各國減糖及征收糖稅政策的實施，預計稀少糖的需求將不斷提高。

但是問題又來了，在自然界中，“健康糖”的原料稀少，只靠傳統(tǒng)的制造方法肯定無法滿足需要。

這時，你會不會想起“二氧化碳變淀粉”？淀粉就是由葡萄糖聚合而成的，既然二氧化碳可以變成淀粉，能不能變成其他結構的六碳糖呢？

糖的“定制”合成：從“年”到“小時”的跨越

近期，中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所（簡稱“天津工業(yè)生物所”）開發(fā)了人工轉化二氧化碳從頭精準合成糖技術，實現(xiàn)了二氧化碳“定制化”合成多種己糖，構建了靈活性、高效性及多功能性的人工生物系統(tǒng)，為擺脫自然合成途徑、利用二氧化碳創(chuàng)造多樣的“糖世界”提供了可能。

人工轉化二氧化碳合成己糖技術路線（圖片來源：中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所）

2021年，天津工業(yè)生物所在實驗室實現(xiàn)了從二氧化碳到淀粉的人工合成，證明了不依賴于自然的人工合成路徑的可行性，為研究所二氧化碳合成糖的研究奠定了技術基礎。

站在淀粉成果的肩膀上，天津工業(yè)生物所基于碳素縮合、異構、脫磷等酶促反應，與中國科學院大連化學物理研究所科研團隊合作，設計構建化學-酶耦聯(lián)的非天然轉化途徑，工程化設計改造酶蛋白分子的催化特性，實現(xiàn)了精準控制合成不同結構與功能的己糖，其中就包括阿洛酮糖等稀有糖。

整套實驗的反應時長約17小時。與通過種植甘蔗等農作物提取糖分的傳統(tǒng)方式相比，糖的獲取時長實現(xiàn)了從“年”到“小時”的跨越。

此次糖合成的效率為0.67克每升每小時，比已知研究提高10倍以上。葡萄糖的碳固定合成效率達到每毫克催化劑每分鐘59.8納摩爾碳，是目前已知的國內外人工制糖最高水平。與此同時，建立了可進一步延伸糖產物種類和構型的生物系統(tǒng)，可實現(xiàn)人工創(chuàng)造糖分子多樣性。

該研究成果是在二氧化碳合成淀粉基礎上的一個重大突破，顛覆了依賴糖生物質資源轉化制備復雜糖分子的范式，提供了一種靈活的、可拓展的糖制造模式，可獲得自然界含量稀少的功能糖分子，從而拓展應用范圍。所獲得糖可作為原料應用于食品、醫(yī)藥等領域，還可作為工業(yè)生物制造關鍵原材料合成其他化學品，進一步滿足人類的其他物質需求。這項研究還為二氧化碳轉化利用提供了新的方案：將二氧化碳轉化為淀粉、糖等生產生活必需品，將減少二氧化碳排放。

人工轉化二氧化碳合成己糖溶液樣品（圖片來源：中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所）

國際著名有機化學家，生物催化領域專家，德國科學院院士曼弗雷德·雷茨評價稱，將二氧化碳轉化為碳水化合物是一個特別有趣的想法，也是非常具有挑戰(zhàn)的。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、多功能性和高效性的糖合成路線。

現(xiàn)在，我們實現(xiàn)了人工精準合成己糖技術路線突破，但距離工業(yè)化生產還有很長的路要走，相信隨著科技的進步，相關科學與工程技術問題能夠得到解決。我們不但能“定制”給人們帶來快樂的糖，也能“定制”出低碳發(fā)展的明天。

（作者單位：中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所）