據(jù)科技日?qǐng)?bào)，中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所與大連化學(xué)物理研究所的科研團(tuán)隊(duì)，在二氧化碳合成淀粉基礎(chǔ)上，又取得了一個(gè)重大突破：他們成功構(gòu)建了靈活性、高效性及多功能性的人工生物系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多種己糖從頭精準(zhǔn)合成，解決了糖分子立體結(jié)構(gòu)可控的難題 ，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。該研究成果于8月16日發(fā)表在國(guó)內(nèi)期刊《科學(xué)通報(bào)》上。
從“年”到“小時(shí)”，糖的獲取時(shí)長(zhǎng)大幅縮短
己糖是在自然界廣泛分布、與機(jī)體營(yíng)養(yǎng)代謝最為密切的糖的統(tǒng)稱。迄今為止，人類對(duì)糖的獲取主要依賴于植物類生物質(zhì)資源。然而，這種傳統(tǒng)的“二氧化碳-生物質(zhì)資源-糖”的加工過程，受到植物光合作用能量轉(zhuǎn)換效率限制;更重要的是，由于土地退化和短缺、生態(tài)系統(tǒng)退化、全球變暖導(dǎo)致的極端天氣和自然災(zāi)害，使依賴于糖類生物質(zhì)資源的生產(chǎn)方式面臨著原料供應(yīng)的安全和風(fēng)險(xiǎn)。
人工轉(zhuǎn)化二氧化碳合成己糖(圖片來源：中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所)
為了解決這一問題，科研團(tuán)隊(duì)將高濃度二氧化碳等原料在反應(yīng)溶液中按一定比例調(diào)配，在化學(xué)催化劑和酶催化劑的作用下，得到了葡萄糖、阿洛酮糖、塔格糖、甘露糖4種己糖。整套實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)約17小時(shí)。與通過種植甘蔗等農(nóng)作物提取糖分的傳統(tǒng)方式相比，糖的獲取時(shí)長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)了從“年”到“小時(shí)”的跨越。
人工合成效率和精準(zhǔn)度均創(chuàng)新高
據(jù)新華網(wǎng)，此次人工合成己糖的效率和精準(zhǔn)度均達(dá)到了國(guó)內(nèi)外最高水平。 論文第一作者楊建剛介紹，此次糖合成的效率為0.67克每升每小時(shí)，比已知成果提高10倍以上。葡萄糖的碳固定合成效率達(dá)到每毫克催化劑每分鐘59.8納摩爾碳，是目前已知的國(guó)內(nèi)外人工制糖最高水平。
人工己糖合成路線設(shè)計(jì) (圖片來源：中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所)
此外，該方法還實(shí)現(xiàn)了人工合成糖的精準(zhǔn)控制。“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。”楊建剛說。
國(guó)際著名有機(jī)化學(xué)家、生物催化領(lǐng)域?qū)＜?、德?guó)科學(xué)院院士曼弗雷德·雷茨對(duì)該成果評(píng)價(jià)稱，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳水化合物是一個(gè)特別有趣的想法，也是非常具有挑戰(zhàn)的。成果在這一競(jìng)爭(zhēng)性研究領(lǐng)域取得了真正突破，提供了一種靈活性、多功能性和高效性糖合成路線，為綠色化學(xué)打開了一扇門。
為生物制造產(chǎn)業(yè)提供核心技術(shù)支撐
據(jù)中國(guó)科學(xué)院，該研究成果是由中國(guó)科學(xué)院系統(tǒng)微生物工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室依托于中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所的功能糖與天然活性物質(zhì)研究團(tuán)隊(duì)與大連化學(xué)物理研究所合作完成的。
該實(shí)驗(yàn)室定位于微生物生物技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，以促進(jìn)化學(xué)工業(yè)的原料、工藝替代和發(fā)酵工業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)為目標(biāo)，運(yùn)用基因組學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)和合成生物學(xué)的研究思想和技術(shù)手段，對(duì)工業(yè)微生物的生理和代謝功能進(jìn)行系統(tǒng)深入的解析，重點(diǎn)發(fā)展生化網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)模擬、生物設(shè)計(jì)、代謝途徑工程、基因組工程、進(jìn)化工程、生理工程等菌株設(shè)計(jì)和改造的新方法與新策略，建立工業(yè)微生物基因組分子改造的技術(shù)體系，打通從基因組到產(chǎn)品的技術(shù)鏈條，構(gòu)建高效微生物細(xì)胞工廠，顯著提升發(fā)酵生產(chǎn)水平，促進(jìn)節(jié)能減排，獲得生產(chǎn)生物纖維、生物材料、生物燃料、重大化工產(chǎn)品和大宗發(fā)酵產(chǎn)品的先進(jìn)菌株與技術(shù)，為生物制造產(chǎn)業(yè)提供核心技術(shù)支撐，滿足國(guó)家對(duì)能源、環(huán)境與經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大需求。
該研究獲得到國(guó)家自然科學(xué)基金、天津市合成生物技術(shù)創(chuàng)新能力提升行動(dòng)、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等項(xiàng)目的支持。天津工業(yè)生物所楊建剛副研究員、宋皖博士、蔡韜研究員為論文的共同第一作者，孫媛霞研究員與馬延和研究員為論文的共同通訊作者。
該研究成果實(shí)現(xiàn)了人工精準(zhǔn)合成己糖技術(shù)路線突破，但距離工業(yè)化生產(chǎn)還有很長(zhǎng)的路要走，仍需要解決相關(guān)科學(xué)與工程技術(shù)問題。
評(píng)論