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。近日，中国科学家成功实现从二氧化碳到糖的精准全合成，不仅解决了糖分子立体结构可控的难题，其合成效率更达目前已知的国内外人工制糖的最高水平，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。未来，人类生活将有望定制专属的“甜蜜”。

文｜北京 陈东安

全世界每年糖产量和消费量均突破亿吨

史前时期的人类就已知道从鲜果、蜂蜜、植物中摄取甜味食物，后发展为从谷物中制取饴糖，继而发展为从甘蔗、甜菜中制糖等。从谷物、薯类淀粉中制取甜食，名为“饴”。据文献记载，西周时期中国就已掌握熬制饴糖的技术。如《诗经．大雅》所记——“周原膴膴，堇荼如饴”，意思是周的土地十分肥美，连苦菜也像饴糖一样甜，这说明西周时就已有饴糖。东汉张衡所著《七辩》中，有“沙饴石蜜”之句，“沙饴”是指制得的糖有微小的晶体，可看作是砂糖的雏形。唐宋开始形成手工业制糖，一些新的技术、工艺相继出现，土法制取的白糖、冰糖等新品种也相继出现。19世纪，欧洲发展出以甜菜作为原料的工业制糖技术，促使制糖业机械化兴起。时至今日，全世界每年糖的产量和消费量均已突破亿吨。各式种类纷繁、结构功能各异的糖被广泛应用于生产生活的各个领域，包括糖果、饮料、烹饪、药品、工业制造等。

迄今为止，人类对糖的获取主要依赖于植物类生物质资源。然而伴随糖产业的快速发展以及人类生产生活对糖的需求量越来越高，传统“二氧化碳-生物质资源-糖”的加工过程受植物光合作用能量转换效率限制，在未来产量可能无法满足需求。更重要的是，以自然的光合作用来合成糖类，对土地、水等资源的依赖性非常强，而当前土地退化和短缺、生态系统退化、全球变暖导致的极端天气和自然灾害可能会带来原料供应安全风险。为解决这一系列问题，需要将传统制糖过程向非糖类生物质资源制造模式转变。植物能产糖是因为植物通过光合作用吸收二氧化碳，然后利用自身的生物质资源转化成糖分，而人工合成糖就是要把这种生物质资源制造模式用人工合成系统来替代。

2021年9月，中国科学院天津工业生物技术研究所首次在实验室实现从二氧化碳到淀粉的人工全合成。这项“从0到1”的重大突破证明了不依赖于自然的人工合成路径是可行的，淀粉就是由葡萄糖分子聚合而成，那么不妨再进一步解放思想看看，二氧化碳能否直接合成糖呢？

站在人工合成淀粉的技术基础之上，历经两年的科研攻关，中国科学院天津工业生物所构建了兼具灵活性、高效性及多功能性的人工生物系统，颠覆依赖糖生物质资源转化制备复杂糖分子的范式，成功实现从二氧化碳到糖的精准全合成，人工合成糖迈出关键一步。著名学术期刊《科学通报》发表了这一最新研究成果。

国内外人工制糖路线中的最高水平

人工合成糖是近年来科学界孜孜以求的方向，此前全球已有多位科学家作出不同程度的贡献，而要实现高效精准地人工制糖并非易事。中国科学院天津工业生物技术研究所功能糖与天然活性物质研究团队基于碳素缩合、异构、脱磷等酶促反应，与中国科学院大连化学物理研究所合作，建立了化学-酶级联转化二氧化碳合成己糖人工合成途径，通过酶分子改造技术提升了天然酶活性、底物特异性等催化性能，构建了碳一-碳三-碳六三个功能模块，通过模块化组装，体外实现了精准控制合成不同结构与功能的己糖。

简而言之，科研人员在反应溶液中将高浓度二氧化碳等原料按一定比例进行调配，在化学催化剂和酶催化剂的作用下，最终获得了葡萄糖、阿洛酮糖、塔格糖、甘露糖4种己糖。这一看似并不复杂的反应过程，却是在科研团队筛选了100多种酶、构建了上千种酶突变体，经历了一次次对比、失望、重新寻找、优化路线的上百次验证测试后才终于“守得云开见月明”。

整套实验的反应时长约 17 小时，试想一下，若是种植农作物则可能需要一年的时间，因此相较于通过种植甘蔗等农作物提取糖分的传统方式，这一人工合成糖技术在时间尺度上实现了从“年”到“小时”的跨越。而且整个过程无须依赖土地或种植，不仅合成步骤简单，还更高效精准。

该实验下糖合成的效率达0.67克每升每小时，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达到每毫克催化剂每分钟 59.8 纳摩尔碳，高于已公开报道的化学法合成糖、电化学-酵母发酵耦联法合成糖等人工制糖方法，是目前已知的国内外人工制糖路线中的最高水平。

该成果是在二氧化碳合成淀粉基础上取得的一项重大突破，颠覆了传统依赖糖生物质资源转化制备复杂糖分子的范式，相当于构建了自然界中不存在的一条合成路线，提供了一种灵活、可拓展的糖制造模式。所获的糖可缓解人口日益增长对糖需求的压力，与此同时，利用二氧化碳制造淀粉、糖等生产生活必需品，可以直接减少二氧化碳排放，在国家双碳目标背景之下，该成果也为二氧化碳转化利用提供了新的方案。

国际著名有机化学家、生物催化领域专家、德国科学院院士曼弗雷德．雷茨（Manfred T. Reetz）对该成果评价称，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，提供了一种兼具灵活性、多功能性和高效性的糖合成路线，为绿色化学打开了一扇门。

人工合成技术令稀少糖不再稀少

己糖也称六碳糖，是自然界中含量最丰富的单糖，与机体的营养代谢十分密切，生活中常见的葡萄糖、果糖、半乳糖都属于己糖。但除此以外的大多数种类的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。稀少糖不仅可以作为甜味剂满足人们对甜味的渴求，还有对身体有益的生理功效。在长期自然进化过程中，作物中的糖成分已经相对固定，只靠传统的制造方法无法满足当下人们对稀少糖的需求，人工合成糖技术有望令稀少糖不再稀少。

本次实验中成功合成的阿洛酮糖就是一种重要的六碳稀少糖，其甜味类似蔗糖（甜度为蔗糖的70%），但热量低（0.4Kcal/g）、升糖指数（GI）几乎为零。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。

这种人工合成糖是否可食用？会不会对人体产生危害？对此，科研人员表示，人工合成糖在理论上是可以食用的，因为从实验室中通过人工生物系统合成的己糖和自然界中的己糖结构完全一致。也许在不久的将来，我们在日常生活中喝的饮料里就有二氧化碳人工合成的糖。

中国科学院天津工业生物技术研究所建立的从二氧化碳、甲醇、甲醛等碳一化合物合成己糖方法，是一个从头开始合成糖的新路径，解决了糖的合成不可控的难题，因此能够精准控制并获取自然界含量稀少的功能糖分子。通过控制不同酶的不同催化效果，理论上可以合成几乎任一类型的糖。这一优势也进一步拓展了其应用范围。

目前，人工精准合成糖研究虽然实现了技术路线突破，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。未来，科研团队计划通过该技术进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，不仅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它物质需求，从而为负碳物质合成提供原料供给。

（作者系国家部委研究员，本文发布于《紫荆》杂志2023年11月号）