糖是人類生命活動及日常生活中的重要物質，也是當今工業生物製造的關鍵原材料。近日，中國科學家成功實現從二氧化碳到糖的精準全合成，不僅解決了糖分子立體結構可控的難題，其合成效率更達目前已知的國內外人工製糖的最高水平，為擺脫自然合成途徑、利用二氧化碳創造多樣的糖世界提供了可能。未來，人類生活將有望定制專屬的“甜蜜”。

文｜北京 陳東安

全世界每年糖產量和消費量均突破億噸

史前時期的人類就已知道從鮮果、蜂蜜、植物中攝取甜味食物，後發展為從穀物中製取飴糖，繼而發展為從甘蔗、甜菜中製糖等。從穀物、薯類澱粉中製取甜食，名為“飴”。據文獻記載，西周時期中國就已掌握熬製飴糖的技術。如《詩經．大雅》所記——“周原膴膴，堇荼如飴”，意思是周的土地十分肥美，連苦菜也像飴糖一樣甜，這說明西周時就已有飴糖。東漢張衡所著《七辯》中，有“沙飴石蜜”之句，“沙飴”是指製得的糖有微小的晶體，可看作是砂糖的雛形。唐宋開始形成手工業製糖，一些新的技術、工藝相繼出現，土法製取的白糖、冰糖等新品種也相繼出現。19世紀，歐洲發展出以甜菜作為原料的工業製糖技術，促使製糖業機械化興起。時至今日，全世界每年糖的產量和消費量均已突破億噸。各式種類紛繁、結構功能各異的糖被廣泛應用於生產生活的各個領域，包括糖果、飲料、烹飪、藥品、工業製造等。

迄今為止，人類對糖的獲取主要依賴於植物類生物質資源。然而伴隨糖產業的快速發展以及人類生產生活對糖的需求量越來越高，傳統“二氧化碳-生物質資源-糖”的加工過程受植物光合作用能量轉換效率限制，在未來產量可能無法滿足需求。更重要的是，以自然的光合作用來合成糖類，對土地、水等資源的依賴性非常強，而當前土地退化和短缺、生態系統退化、全球變暖導致的極端天氣和自然災害可能會帶來原料供應安全風險。為解決這一系列問題，需要將傳統製糖過程向非糖類生物質資源製造模式轉變。植物能產糖是因為植物通過光合作用吸收二氧化碳，然後利用自身的生物質資源轉化成糖分，而人工合成糖就是要把這種生物質資源製造模式用人工合成系統來替代。

2021年9月，中國科學院天津工業生物技術研究所首次在實驗室實現從二氧化碳到澱粉的人工全合成。這項“從0到1”的重大突破證明了不依賴於自然的人工合成路徑是可行的，澱粉就是由葡萄糖分子聚合而成，那麼不妨再進一步解放思想看看，二氧化碳能否直接合成糖呢？

站在人工合成澱粉的技術基礎之上，歷經兩年的科研攻關，中國科學院天津工業生物所構建了兼具靈活性、高效性及多功能性的人工生物系統，顛覆依賴糖生物質資源轉化製備複雜糖分子的範式，成功實現從二氧化碳到糖的精準全合成，人工合成糖邁出關鍵一步。著名學術期刊《科學通報》發表了這一最新研究成果。

國內外人工製糖路線中的最高水平

人工合成糖是近年來科學界孜孜以求的方向，此前全球已有多位科學家作出不同程度的貢獻，而要實現高效精準地人工製糖並非易事。中國科學院天津工業生物技術研究所功能糖與天然活性物質研究團隊基於碳素縮合、異構、脫磷等酶促反應，與中國科學院大連化學物理研究所合作，建立了化學-酶級聯轉化二氧化碳合成己糖人工合成途徑，通過酶分子改造技術提升了天然酶活性、底物特異性等催化性能，構建了碳一-碳三-碳六三個功能模塊，通過模塊化組裝，體外實現了精準控制合成不同結構與功能的己糖。

簡而言之，科研人員在反應溶液中將高濃度二氧化碳等原料按一定比例進行調配，在化學催化劑和酶催化劑的作用下，最終獲得了葡萄糖、阿洛酮糖、塔格糖、甘露糖4種己糖。這一看似並不複雜的反應過程，卻是在科研團隊篩選了100多種酶、構建了上千種酶突變體，經歷了一次次對比、失望、重新尋找、優化路線的上百次驗證測試後才終於“守得雲開見月明”。

整套實驗的反應時長約 17 小時，試想一下，若是種植農作物則可能需要一年的時間，因此相較於通過種植甘蔗等農作物提取糖分的傳統方式，這一人工合成糖技術在時間尺度上實現了從“年”到“小時”的跨越。而且整個過程無須依賴土地或種植，不僅合成步驟簡單，還更高效精準。

該實驗下糖合成的效率達0.67克每升每小時，比已知研究成果提高了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，高於已公開報道的化學法合成糖、電化學-酵母發酵耦聯法合成糖等人工製糖方法，是目前已知的國內外人工製糖路線中的最高水平。

該成果是在二氧化碳合成澱粉基礎上取得的一項重大突破，顛覆了傳統依賴糖生物質資源轉化製備複雜糖分子的範式，相當於構建了自然界中不存在的一條合成路線，提供了一種靈活、可拓展的糖製造模式。所獲的糖可緩解人口日益增長對糖需求的壓力，與此同時，利用二氧化碳製造澱粉、糖等生產生活必需品，可以直接減少二氧化碳排放，在國家雙碳目標背景之下，該成果也為二氧化碳轉化利用提供了新的方案。

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（Manfred T. Reetz）對該成果評價稱，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，提供了一種兼具靈活性、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。

人工合成技術令稀少糖不再稀少

己糖也稱六碳糖，是自然界中含量最豐富的單糖，與機體的營養代謝十分密切，生活中常見的葡萄糖、果糖、半乳糖都屬於己糖。但除此以外的大多數種類的已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。稀少糖不僅可以作為甜味劑滿足人們對甜味的渴求，還有對身體有益的生理功效。在長期自然進化過程中，作物中的糖成分已經相對固定，只靠傳統的製造方法無法滿足當下人們對稀少糖的需求，人工合成糖技術有望令稀少糖不再稀少。

本次實驗中成功合成的阿洛酮糖就是一種重要的六碳稀少糖，其甜味類似蔗糖（甜度為蔗糖的70%），但熱量低（0.4Kcal/g）、升糖指數（GI）幾乎為零。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。

這種人工合成糖是否可食用？會不會對人體產生危害？對此，科研人員表示，人工合成糖在理論上是可以食用的，因為從實驗室中通過人工生物系統合成的己糖和自然界中的己糖結構完全一致。也許在不久的將來，我們在日常生活中喝的飲料裡就有二氧化碳人工合成的糖。

中國科學院天津工業生物技術研究所建立的從二氧化碳、甲醇、甲醛等碳一化合物合成己糖方法，是一個從頭開始合成糖的新路徑，解決了糖的合成不可控的難題，因此能夠精準控制並獲取自然界含量稀少的功能糖分子。通過控制不同酶的不同催化效果，理論上可以合成幾乎任一類型的糖。這一優勢也進一步拓展了其應用範圍。

目前，人工精準合成糖研究雖然實現了技術路線突破，但距離工業化生產還有很長的路要走，仍需要解決相關科學與工程技術問題。未來，科研團隊計劃通過該技術進一步合成自然界中含量稀少甚至不存在的糖分子，比如寡糖、糖苷或糖醇等化合物，不僅可作為原料應用於食品、醫藥等領域，還可作為工業生物製造關鍵原材料合成其他化學品，進一步滿足人類的其它物質需求，從而為負碳物質合成提供原料供給。

（作者係國家部委研究員，本文發布於《紫荊》雜誌2023年11月號）