作者:陈曦 来源:科技日报 发布时间:2023/9/11 7:33:03
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他们让二氧化碳17小时后变成糖

 

◎本报记者 陈曦

9月7日,科技日报记者走进中国科学院天津工业生物技术研究所(以下简称天津工业生物所)实验室,该所功能糖与天然活性物质团队(以下简称功能糖团队)成员正在忙着做实验。

就在这间实验室,他们将高浓度二氧化碳等原料在反应溶液中按一定比例调配,在化学催化剂和酶催化剂的作用下,得到了葡萄糖、阿洛酮糖、塔格糖、甘露糖4种己糖。整套实验反应时长约17小时。

很难想象,千百年来,人类通过种植甘蔗等农作物提取糖分的传统方式,已经被实验室中这几位年轻人颠覆。功能糖团队负责人、天津工业生物所研究员孙媛霞,带领5名二三十岁的青年科研人员,经过2年的探索,改变了糖自然合成途径,实现二氧化碳到糖的精准全合成,让糖的获取时长从“年”缩短到“小时”。该研究成果今年8月在线发表于国内刊物《科学通报》。

延伸二氧化碳合成淀粉之路

以二氧化碳为原料,不依赖植物光合作用,直接人工合成淀粉——看似科幻的一幕,真实地发生在天津工业生物所的实验室里。2021年9月24日,国际学术期刊《科学》报道了该所科研人员在国际上首次实现二氧化碳到淀粉的从头合成。

作为天津工业生物所二氧化碳合成淀粉团队中的一员,该所副研究员杨建刚至今回忆往昔仍非常激动。

二氧化碳人工合成淀粉的路走通了,杨建刚和所里其他青年学者想在这条路上走得更远,探索更多未知,合成出更多的物质。

淀粉之外,还可以合成什么?“大家首先想到的,是和淀粉同为碳水化合物的糖。”杨建刚说。

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。人们为了获取糖,采用物理、化学以及生物手段,经过漫长的制糖过程,获得葡萄糖、果糖等单糖。然而,传承了上百年的制糖方法,正面临一些挑战。

“随着人口数量的增多,我们对糖的需求量越来越大,以甘蔗等作物为原料获取糖的方式,受到植物光合作用能量转换效率的限制,在未来可能无法满足日益增长的需求。”杨建刚说,除此之外,作物中糖的成分已经相对固定,难以获得一些稀有或天然不存在的单糖。

“众多科学家将目光对准了人工合成糖,人工将二氧化碳转化为糖也成了国际研究热点,我也想带着大家试一试。”长期在稀少糖领域深耕的孙媛霞把想法提出后,就得到了人工合成淀粉项目首席科学家、天津工业生物所所长马延和的支持。

二氧化碳合成糖项目被批准立项后,很快就得到杨建刚、宋皖、王玉瑶等天津工业生物所年轻科研人员的积极响应,大家干劲十足地投入到新项目中,功能糖团队从此踏上新征途。

寻找最佳“候选者”

“虽然二氧化碳合成淀粉成功了,但对于二氧化碳能否合成糖,一开始大家心里都没底。”回忆起刚加入功能糖团队时的心情,天津工业生物所青年研究人员宋皖如是说。

当时,国内外很多团队都开展过相关研究,但仍未能解决一些棘手的问题。比如,由二氧化碳合成的糖是复合型糖,即多种类型的糖混在一起,这就给未来应用带来一些障碍。有的研究团队可以合成某些单一种类的糖,但合成效率比较低。

“这些也是摆在我们团队面前的难题。”杨建刚回忆道,“不过当时我们认为人工合成糖的原理和人工合成淀粉的差不多,毕竟都是合成碳水化合物,也都是通过化学和酶耦合的方法。”

于是,这支团队很快确定了从二氧化碳到糖的合成路径。起初,研究工作一路高歌猛进,但在催化剂的选择上,他们陷入了困境。

“一开始,我们在自然界天然存在的生物酶中寻找催化剂‘候选者’。然而,事实证明,我们为此走了一段很长的弯路。”杨建刚回忆道。

每一次实验,每一种催化剂,都寄托着团队的希望。不过,糖分子迟迟没有出现在实验的试管中。偶尔糖分子“昙花一现”,但过低的转化率让团队颇感失望。

发现“此路不通”,功能糖团队并没有灰心,困境反而激发了他们的斗志。通过与天津工业生物所二氧化碳合成淀粉团队成员沟通讨论,功能糖团队成员决定利用工程化设计改造天然催化剂。

“将二氧化碳转化为葡萄糖,需要1个化学催化剂和7个酶元件。改造催化剂之外,我们还需要对7个酶元件进行工程化设计。”杨建刚说,团队成员共筛选出100多个酶元件,从上千种组合适配的测试中,他们找出了“最棒的7个”。

每天,他们都会对实验结果进行反复讨论,找到突破点,而后进行改进,再进行下一次实验。

在经过一年半的时间、百余次的尝试后,他们终于从上千个催化剂与组合中找到了最佳“候选者”。利用这些催化剂,二氧化碳合成糖的效率达到0.67克每升每小时,比其他已知技术路线提高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59.8纳摩尔碳,达到目前已知国内外人工制糖的最高水平。

让科研人员无后顾之忧

在人工淀粉合成和人工己糖合成研发过程中,人才起到了巨大的推动作用。

一般而言,科研人员每三年考核一次,其间如果没有成果问世、没有论文产出,可能会影响晋升。不过,作为中国科学院与天津市共建的研究机构,天津工业生物所从建设之初就明确:不唯论文论英雄。

“我们在考核中更看重科研人员解决实际问题的能力。”马延和说,“我们这样做,一方面得益于天津市给予我们的经费保障和经费使用自由;另一方面,我们知道所里科研人员做的是具有开创性的基础研究,只有用时间和耐心才能‘浇灌’出真正有价值的成果。”

“没有后顾之忧,我们可以全身心地投入到科研中。”杨建刚表示,这种全方位的支持对青年科研人员来说尤为可贵,可以激发他们的潜能。

合成“大战”告捷,但功能糖团队却不敢松懈,依旧在实验室里忙碌。“此次团队不仅实现了从二氧化碳到糖的精准全合成,还成功构建了人工生物系统,初步探索出一种灵活的、可拓展的糖制造模式。”孙媛霞介绍。

“利用该模式所获得的糖可作为原料应用于食品、医药等领域。合成的葡萄糖等还可以作为工业生物制造关键原材料合成其他化学品,从而为负碳物质合成提供原料供给。”杨建刚表示,功能糖团队正在继续优化这个模式,争取早日将成果推向产业化。

 
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