近日,中國科學院天津工業生物技術研究所副研究員楊建剛帶領團隊在二氧化碳合成淀粉基礎上,實現了多種己糖從頭精準合成,使糖分子立體結構可控,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。
此項研究成果于8月16日發表在國內刊物《科學通報》上。
近年來,人工合成糖一直是科學界孜孜以求的方向,我國科學家實現從二氧化碳到糖的精準全合成,邁出人工合成糖關鍵的一步。
(資料圖片僅供參考)
已糖與機體營養代謝最密切
糖是自然界存在最多、結構最復雜的化合物,是人類食物與動物賴以生存的重要物質之一,人體所需70%左右的能量由糖提供。結構和功能各異的糖家族被應用于生活中的各個領域,包括糖果、飲料、烹飪、藥品、工業制造等。
楊建剛表示,按照糖的組成分類包括單糖、雙糖、多糖等多種形式。單糖是碳水化合物中最基本的組成單位,根據碳原子數目又分為丙糖(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,其中己糖與機體營養代謝最為密切。
根據己糖的化學結構,己糖包括24種構型的糖分子。自然界中,除了葡萄糖、果糖等少數糖含量豐富外,大多數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。
傳承百年制糖方法面臨挑戰
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、甘蔗等農作物中。人們為了獲取所需要的糖成分,采用物理、化學以及生物手段,經過復雜制糖過程,獲得葡萄糖、果糖等單糖成分。然而,這種傳承了上百年的制糖方法,正在面臨一些挑戰。
首先,日益增長的人口數量對糖需求量越來越高,依賴作物為原材料獲取糖成分的方式,受到植物光合作用能量轉換效率限制,在未來可能無法滿足需求;其次,隨著全球氣候變暖、土地退化、極端環境等影響,依賴土地種植獲取作物同樣面臨重大風險。此外,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。
人工合成糖應用領域廣泛
為了解決人類對糖的需求,科學家嘗試將這種傳統制糖過程向非糖類生物質資源制造模式轉變。利用二氧化碳人工合成糖是近年來的研究熱點,雖然已經做了很多探索嘗試,但仍存在合成糖產物為復合型糖類、后期使用局限性大,合成的單糖效率不高等亟待攻克的難題。
楊建剛所在的團隊經過兩年的科研攻關,實現了二氧化碳到糖的精準全合成?!斑@一技術不依賴于植物種植的己糖合成方法,實現了人工轉化二氧化碳‘定制化’地合成多種己糖,提供了靈活性及多功能性的人工生物系統?!?/p>
據了解,該技術團隊基于碳素縮合、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,實現了精準控制合成不同結構與功能的己糖。
“這條路線從二氧化碳到葡萄糖需要一個化學催化劑和7個酶元件,如何實現這條路線的精準、高效,就需要對7個酶元件進行挖掘?!睏罱▌偙硎?,團隊通過不斷進行酶改造、挖掘,共篩選了4000多個突變體、100多個酶元件,經過一兩百次的嘗試,終于成功實現了二氧化碳合成己糖。
該技術的糖合成能力高于傳統植物光合作用,同時也高于已報道的化學法制糖以及電化學—生物學耦聯的人工制糖方法,是目前人工制糖路線中碳轉化效率的最高水平。
成果顛覆了依賴糖生物質資源轉化制備復雜糖分子的范式,所獲得糖可作為原料應用于食品、醫藥等領域,還可作為工業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,從而為負碳物質合成提供原料供給,也為綠色化學打開了一扇門。
楊建剛表示,研究成果實現了人工精準合成己糖技術路線突破,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。
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