他们让二氧化碳17小时后变成糖

◎本报记者 陈 曦

9月7日，科技日报记者走进中国科学院天津工业生物技术研究所（以下简称天津工业生物所）实验室，该所功能糖与天然活性物质团队（以下简称功能糖团队）成员正在忙着做实验。

就在这间实验室，他们将高浓度二氧化碳等原料在反应溶液中按一定比例调配，在化学催化剂和酶催化剂的作用下，得到了葡萄糖、阿洛酮糖、塔格糖、甘露糖4种己糖。整套实验反应时长约17小时。

很难想象，千百年来，人类通过种植甘蔗等农作物提取糖分的传统方式，已经被实验室中这几位年轻人颠覆。功能糖团队负责人、天津工业生物所研究员孙媛霞，带领5名二三十岁的青年科研人员，经过2年的探索，改变了糖自然合成途径，实现二氧化碳到糖的精准全合成，让糖的获取时长从“年”缩短到“小时”。该研究成果今年8月在线发表于国内刊物《科学通报》。

延伸二氧化碳合成淀粉之路

以二氧化碳为原料，不依赖植物光合作用，直接人工合成淀粉——看似科幻的一幕，真实地发生在天津工业生物所的实验室里。2021年9月24日，国际学术期刊《科学》报道了该所科研人员在国际上首次实现二氧化碳到淀粉的从头合成。

作为天津工业生物所二氧化碳合成淀粉团队中的一员，该所副研究员杨建刚至今回忆往昔仍非常激动。

二氧化碳人工合成淀粉的路走通了，杨建刚和所里其他青年学者想在这条路上走得更远，探索更多未知，合成出更多的物质。

淀粉之外，还可以合成什么？“大家首先想到的，是和淀粉同为碳水化合物的糖。”杨建刚说。

糖是人类生命活动及日常生活中的重要物质，也是当今工业生物制造的关键原材料。人们为了获取糖，采用物理、化学以及生物手段，经过漫长的制糖过程，获得葡萄糖、果糖等单糖。然而，传承了上百年的制糖方法，正面临一些挑战。

“随着人口数量的增多，我们对糖的需求量越来越大，以甘蔗等作物为原料获取糖的方式，受到植物光合作用能量转换效率的限制，在未来可能无法满足日益增长的需求。”杨建刚说，除此之外，作物中糖的成分已经相对固定，难以获得一些稀有或天然不存在的单糖。

“众多科学家将目光对准了人工合成糖，人工将二氧化碳转化为糖也成了国际研究热点，我也想带着大家试一试。”长期在稀少糖领域深耕的孙媛霞把想法提出后，就得到了人工合成淀粉项目首席科学家、天津工业生物所所长马延和的支持。

二氧化碳合成糖项目被批准立项后，很快就得到杨建刚、宋皖、王玉瑶等天津工业生物所年轻科研人员的积极响应，大家干劲十足地投入到新项目中，功能糖团队从此踏上新征途。

寻找最佳“候选者”

“虽然二氧化碳合成淀粉成功了，但对于二氧化碳能否合成糖，一开始大家心里都没底。”回忆起刚加入功能糖团队时的心情，天津工业生物所青年研究人员宋皖如是说。

当时，国内外很多团队都开展过相关研究，但仍未能解决一些棘手的问题。比如，由二氧化碳合成的糖是复合型糖，即多种类型的糖混在一起，这就给未来应用带来一些障碍。有的研究团队可以合成某些单一种类的糖，但合成效率比较低。

“这些也是摆在我们团队面前的难题。”杨建刚回忆道，“不过当时我们认为人工合成糖的原理和人工合成淀粉的差不多，毕竟都是合成碳水化合物，也都是通过化学和酶耦合的方法。”

于是，这支团队很快确定了从二氧化碳到糖的合成路径。起初，研究工作一路高歌猛进，但在催化剂的选择上，他们陷入了困境。

“一开始，我们在自然界天然存在的生物酶中寻找催化剂‘候选者’。然而，事实证明，我们为此走了一段很长的弯路。”杨建刚回忆道。