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通过二氧化碳,科学家可以“定制”你的快乐
时间:2023-08-31 17:37:47

你以为本文要讲“肥宅快乐水”吗?


(资料图)

并不是。

今天要讲的是一个“二氧化碳变成糖”的故事,而且是变成不少人梦寐以求的“健康糖”。

糖是自然界存在最多、结构最复杂的化合物,又称碳水化合物,是人类食物与动物赖以生存的重要物质之一,人体所需要的70%左右的能量由糖提供。“甜食使人快乐”,很大程度上是因为其中的糖给了我们甜蜜、愉悦、欢快的感觉。

(图片来源:veer图库)

不过,从古至今,获得糖的过程可不像吃糖那么快乐。地球上的绿色植物通过光合作用固定二氧化碳,将淀粉、蔗糖等碳水化合物储存在玉米、小麦、甘蔗、水果等作物中。 人们需要采用物理、化学以及生物手段,经历复杂制糖过程,才能获得糖。

据文献记载,在大约4000年前,中国掌握了熬制饴糖的技术,从谷物、薯类淀粉中制取甜食,名为“饴”,例如《诗经·大雅》中有“周原滕臁,堇荼如饴”的诗句,说明西周时就已有饴糖。到了唐朝,蔗糖制作技术取得了突破性的进展,砂糖开始出现,并从皇室贡品开始走向民间。大约在18世纪,德国科学家马格拉夫从甜菜中提取成功蔗糖,真正使得糖消费平民化。

时至今日,人们已经能制出种类纷繁,结构和功能各异的糖家族,应用于生活中的各个领域,包括糖果、饮料、烹饪、药品、工业制造等。全世界每年糖的产量和消费量均已突破亿吨,已成为人们生活中不可或缺的食品原料和能量来源。

但是,这种传统的“二氧化碳——生物质资源——糖”的制糖方法,正在面临一些挑战。

制糖厂和甘蔗(图片来源:veer图库)

首先,日益增长的人口数量对糖需求量越来越高,受到植物光合作用能量转换效率限制,依赖作物为原材料获取糖成分的方式在未来可能无法满足需求;

其次,随着土地退化和短缺、生态系统退化、全球变暖导致的极端天气和自然灾害,依赖于糖类生物质资源的生产方式面临着原料供应安全和风险等问题;

再次,在长期自然进化过程中,作物中的糖成分已经相对固定, 难以获得一些稀有的或者天然不存在的单糖成分 ,这些单糖成分有可能具有重要生理功能。

等等,这种“稀有的糖”是什么?有什么特别的功能?

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糖的分类包括单糖、双糖、多糖。单糖是碳水化合物中最基本的组成单位,根据碳原子数目又分为丙糖(3个碳原子)、丁糖(4个碳原子)、戊糖(5个碳原子)、己糖(6个碳原子)等, 其中己糖是自然界含量最丰富的单糖,与机体营养代谢最为密切

葡萄糖分子式(图片来源:veer图库)

葡萄糖、果糖是自然界中含量最多的已糖。馒头等食物被人吃下后,最终会以葡萄糖的形式进入人体血液,输送到人体不同器官或生产能量或转化成人体所需要的蛋白质、脂肪等。因此,葡萄糖被誉为生命结构与贮能的重要物质。果糖被誉为“最甜”的单糖,广泛存在于蜂蜜中。

自然界中,除了葡萄糖、果糖等少数糖含量丰富外,大多数已糖在自然界中存在很少,2002年这类糖被国际稀少糖学会定义为稀少糖。所谓的稀少糖,主要是指自然界中含量稀少的一类单糖。

稀少糖自然界含量示范图(图片来源:国际稀少糖学会isrs)

其中, 阿洛酮糖是一种重要的稀少糖,其甜味类似蔗糖(甜度为蔗糖70%),热量低(/g)、几乎零升糖指数(gi) 。研究证明,阿洛酮糖具有抑制血糖上升及预防肥胖作用,有可能成为改善糖尿病、肥胖人群的食糖替代品。(文献来源:nature communication,2018,9,113)

稀少糖作为甜味剂不仅可以满足人们对甜味的渴求,还展现出对身体有益的生理功效。随着各国减糖及征收糖税政策的实施,预计稀少糖的需求将不断提高。

但是问题又来了,在自然界中,“健康糖”的原料稀少,只靠传统的制造方法肯定无法满足需要。

这时,你会不会想起“二氧化碳变淀粉”? 淀粉就是由葡萄糖聚合而成的,既然二氧化碳可以变成淀粉,能不能变成其他结构的6碳糖呢?

近期,中国科学院天津工业生物技术研究所(简称“天津工业生物所”)开发了人工转化二氧化碳从头精准合成糖技术,实现了二氧化碳“定制化”合成多种己糖,构建了灵活性、高效性及多功能性的人工生物系统,为摆脱自然合成途径、利用二氧化碳创造多样的“糖世界”提供了可能。

人工转化二氧化碳合成己糖技术路线(图片来源:中国科学院天津工业生物技术研究所)

2021年,天津工业生物所在实验室实现了从二氧化碳到淀粉的人工合成,证明了不依赖于自然的人工合成路径的可行性,为研究所二氧化碳合成糖的研究奠定了技术基础 ( )

站在淀粉成果的肩膀上,天津工业生物所基于碳素缩合、异构、脱磷等酶促反应,与中国科学院大连化学物理研究所科研团队合作,设计构建化学-酶耦联的非天然转化途径,工程化设计改造酶蛋白分子的催化特性,实现了精准控制合成不同结构与功能的己糖,其中就包括 阿洛酮糖等稀有糖

整套实验的反应时长约17小时。 与通过种植甘蔗等农作物提取糖分的传统方式相比,糖的获取时长实现了从“年”到“小时”的跨越。

此次糖合成的效率为克每升每小时,比已知研究提高10倍以上。葡萄糖的碳固定合成效率达到每毫克催化剂每分钟纳摩尔碳,是 目前已知的国内外人工制糖最高水平 。与此同时,建立了可进一步延伸糖产物种类和构型的生物系统,可实现人工创造糖分子多样性。

该研究成果是在二氧化碳合成淀粉基础上的一个重大突破, 颠覆了依赖糖生物质资源转化制备复杂糖分子的范式 ,提供了一种灵活的、可拓展的糖制造模式,可获得自然界含量稀少的功能糖分子,从而拓展应用范围。所获得糖可作为原料应用于食品、医药等领域,还可作为工业生物制造关键原材料合成其他化学品,进一步满足人类的其他物质需求。这项研究还为二氧化碳转化利用提供了新的方案:将二氧化碳转化为淀粉、糖等生产生活必需品,将减少二氧化碳排放。

人工转化二氧化碳合成己糖溶液样品(图片来源:中国科学院天津工业生物技术研究所)

国际著名有机化学家,生物催化领域专家,德国科学院院士manfred t. reetz(曼弗雷德·雷茨)评价称,将二氧化碳转化为碳水化合物是一个特别有趣的想法,也是非常具有挑战的。成果在这一竞争性研究领域取得了真正突破,提供了一种灵活性、多功能性和高效性糖合成路线。

现在,我们实现了人工精准合成己糖技术路线突破,但距离工业化生产还有很长的路要走,相信随着科技的进步,相关科学与工程技术问题能够得到解决。 我们不但能“定制”给人们带来快乐的糖,也能“定制”出低碳发展的明天。

作者:杨建刚 孙媛霞

作者单位:中国科学院天津工业生物技术研究所

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