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二氧化碳“变身”糖,中国科学家实现重大突破!

发表时间:2023/08/18 07:39:28  浏览次数:6856  
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据科技日报,中国科学院天津工业生物技术研究所与大连化学物理研究所的科研团队,在二氧化碳合成淀粉基础上,又取得了一个重大突破:他们成功构建了灵活性、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。该研究成果于8月16日发表在国内期刊《科学通报》上。

从“年”到“小时”,糖的获取时长大幅缩短

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;更重要的是,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,使依赖于糖类生物质资源的生产方式面临着原料供应的安全和风险。

人工转化二氧化碳合成己糖(图片来源:中国科学院天津工业生物技术研究所)

为了解决这一问题,科研团队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。

人工合成效率和精准度均创新高

据新华网,此次人工合成己糖的效率和精准度均达到了国内外最高水平。论文第一作者杨建刚介绍,此次糖合成的效率为0.67克每升每小时,比已知成果提高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,是目前已知的国内外人工制糖最高水平。

人工己糖合成路线设计 (图片来源:中国科学院天津工业生物技术研究所)

此外,该方法还实现了人工合成糖的精准控制。“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。”杨建刚说。

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。

为生物制造产业提供核心技术支撑

据中国科学院,该研究成果是由中国科学院系统微生物工程重点实验室依托于中科院天津工业生物技术研究所的功能糖与天然活性物质研究团队与大连化学物理研究所合作完成的。

该实验室定位于微生物生物技术领域的应用基础研究,以促进化学工业的原料、工艺替代和发酵工业的产业升级为目标,运用基因组学、系统生物学和合成生物学的研究思想和技术手段,对工业微生物的生理和代谢功能进行系统深入的解析,重点发展生化网络重构模拟、生物设计、代谢途径工程、基因组工程、进化工程、生理工程等菌株设计和改造的新方法与新策略,建立工业微生物基因组分子改造的技术体系,打通从基因组到产品的技术链条,构建高效微生物细胞工厂,显著提升发酵生产水平,促进节能减排,获得生产生物纤维、生物材料、生物燃料、重大化工产品和大宗发酵产品的先进菌株与技术,为生物制造产业提供核心技术支撑,满足国家对能源、环境与经济可持续发展的重大需求。

该研究获得到国家自然科学基金、天津市合成生物技术创新能力提升行动、中国科学院青年创新促进会等项目的支持。天津工业生物所杨建刚副研究员、宋皖博士、蔡韬研究员为论文的共同第一作者,孙媛霞研究员与马延和研究员为论文的共同通讯作者。

该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。

综合新华网、科技日报、中国科学院

图片来源:中国科学院天津工业生物技术研究所

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