天津工业生物所：实现从二氧化碳到糖的精准全合成

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天津工业生物所：实现从二氧化碳到糖的精准全合成

2023-08-20 08:06:04 来源：津滨海

(资料图片仅供参考)

津滨海讯（记者单毅朱绍祥报道王鼎鑫摄影）记者从位于天津港保税区的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）获悉，该所成功构建了灵活性、高效性及多功能性的人工生物系统，实现了多种己糖从头精准合成，解决了糖分子立体结构可控的难题，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。研究成果于8月16日选择在国内顶尖刊物《Science Bulletin（科学通报）》发表。

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。己糖是在自然界广泛分布、与机体营养代谢最为密切的糖的统称。迄今为止，人类对糖的获取主要依赖于植物类生物质资源。然而，这种传统的“二氧化碳-生物质资源-糖”的加工过程，受到植物光合作用能量转换效率限制；最重要的是，由于土地退化和短缺、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。为解决这一系列问题，需要将这种传统制糖过程向非糖类生物质资源制造模式转变。

据介绍，天津工业生物所开发的人工转化二氧化碳从头精准合成糖技术，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，其碳转化率高于传统植物光合作用，同时高于已报道的化学法制糖以及电化学-生物学耦联的人工制糖方法，是目前人工制糖路线中碳转化效率的最高水平。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，从而为负碳物质合成提供原料供给。

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）就本成果评价称，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，为绿色化学打开了一扇门。

“这一成果所获的糖可作为原料应用于食品、医药等领域，将缓解人口日益增长对糖需求的压力。”文章第一作者杨建刚副研究员介绍，合成的葡萄糖等糖分子还可以作为工业生物制造关键原材料合成其他化学品，满足人类其他物质需求，从而为负碳物质合成提供原料供给。据介绍，研究成果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，仍需要解决相关科学与工程技术问题。

据了解，天津工业生物所作为我国工业生物技术创新的国家队和主力军，正在积极推动国家合成生物技术创新中心和中国合成生物产业知识产权运营中心建设。截至2022年年底，天津工业生物所专利申请总量已达1292件，有效授权专利总量达614件，其中，发明专利占比达98.2%；专利运营总量达293件，有效专利运营率达44.5%。

生物制造产业链是天津港保税区重点打造的四条标志性产业链之一，保税区依托科研机构研发资源优势，不断做强食品制造、生物基材料制造等优势领域。同时，生物制造是保税区“十四五”期间围绕科技自立自强国家战略需要，培育发展自主创新引领的四大未来产业集群之一，保税区将着眼生物制造产业发展趋势，坚持“创新引领、特色集聚、平台带动”路径，重点发展合成生物领域，做大做强生物医药、医疗器械等重点领域，积极发展防护用品领域，打造生物制造谷，推动生物制造产业集群化、全链条、高质量发展，打造具有国际竞争力的生物制造产业创新中心和产业发展新高地。

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