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糖網 熱點關注 “碳轉糖”這么快就來了!?我國科學家首次實現(xiàn)甲醇合成糖,無植物依賴制糖時代來了?

“碳轉糖”這么快就來了!?我國科學家首次實現(xiàn)甲醇合成糖,無植物依賴制糖時代來了?

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白糖,不僅是廚房里的調味品,更是維系國計民生的重要戰(zhàn)略物資。數(shù)百年來,它的生產高度依賴于甘蔗和甜菜的種植,受限于土地、水源和氣候。然而,近日中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所的一項突破性研究,正為這一傳統(tǒng)格局帶來了顛覆性的變革。首次構建了體外生物轉化系統(tǒng),成功將甲醇–一種可由二氧化碳高效合成的“液態(tài)陽光”–轉化為我們熟悉的蔗糖,為極端情況下糖業(yè)安全、實現(xiàn)碳中和開辟了一條全新的技術路徑。

(中間有技術解碼繁文,后有結論,請讀完全文)

一、“人工造糖”

糖業(yè)的背后,是一筆關乎國家糧食安全的經濟賬和資源賬。我國作為食糖消費大國,年消耗量超過1500萬噸,而國內產量難以滿足需求,每年需進口超過500萬噸,對外依存度較高。傳統(tǒng)的制糖農業(yè),不僅需要占用大量寶貴的耕地,與糧食作物形成競爭,還消耗著巨大的水資源。

人類是否能擺脫對自然種植的依賴,將糖的生產從“田間”轉變到“車間”。

科學家將目光投向了甲醇。甲醇作為一種簡單的C1化合物,其來源極為廣泛,既可從煤炭、天然氣等化石資源中獲取,也能通過工業(yè)廢氣中的二氧化碳進行催化合成。特別是后者,由中國科學院大連化物所等團隊發(fā)展的二氧化碳加氫制甲醇技術,被譽為制造“液態(tài)陽光”,它能將溫室氣體變廢為寶。

如果能打通從甲醇到糖分子的生物轉化路徑,就意味著我們能夠構建一條不依賴土地、不與人爭糧的全新制糖模式,其戰(zhàn)略意義不言而喻。

二、 科學解碼從甲醇到蔗糖的“分子生產線”

▲圖1 體外轉化非糧低碳原料合成蔗糖

▲圖2 低碳合成直鏈淀粉研究結果

以上圖片源自中國科學院官方微信。

正如圖所揭示的,這項研究的核心在于設計并搭建了一條前所未有的“分子生產線”。研究團隊摒棄了傳統(tǒng)的細胞發(fā)酵模式,轉而采用體外生物轉化系統(tǒng)。這一“無細胞”系統(tǒng),如同一個精密的生物反應器,其中僅包含完成特定催化任務所必需的多種酶。

其巧妙之處在于:

  • 全新的合成路徑:
    研究人員沒有模仿植物復雜的光合作用路徑,而是設計了一條非天然的、更高效的蔗糖合成路線。從甲醇(C1)出發(fā),通過一系列酶的催化接力,依次轉化為甲醛、二羥基丙酮(DHA),再進一步合成為果糖-6-磷酸(F6P),最終與尿苷二磷酸葡萄糖(UDP-glucose)反應生成蔗糖(C12)。
  • 熱力學優(yōu)勢與高效率:
    這條人工設計的路徑在能量消耗和反應步驟上具有顯著優(yōu)勢(如上圖所示)。通過對蔗糖合酶(Sucrose Synthase)等關鍵酶進行定向改造,其催化效率提升了3至71倍,突破了反應瓶頸。最終,系統(tǒng)實現(xiàn)了高達86%的甲醇到蔗糖的轉化產率和5.7克/升/小時的合成速率,展示了其工業(yè)應用的巨大潛力。
  • 過程可控性強:
    體外系統(tǒng)避免了細胞內復雜的代謝網絡干擾,使得整個過程的優(yōu)化和調控更為直接、簡單,產物純度也更高。

三、 開啟“人工糖世界”的大門

這項研究的價值遠不止于合成蔗糖。它所構建的體外生物轉化平臺,更像一把打開“人工糖世界”的鑰匙。正如圖2 中所示,該平臺具有極強的可擴展性。

通過更換或添加不同的酶模塊,研究人員已經成功利用這一系統(tǒng),從甲醇等低碳原料出發(fā),合成了更多種類的糖及衍生物,例如:

  • 淀粉(Starch, Cn):實現(xiàn)了無需引物即可從頭合成淀粉,其合成速率優(yōu)于此前報道的系統(tǒng)。
  • 纖維寡糖(Cellooligosaccharides, Cn≥18):高效合成了聚合度更高的纖維寡糖,這類物質在食品、保健品和飼料領域具有重要應用價值。
  • 其他功能糖:如蔗糖的同分異構體海藻糖、功能性單糖等,未來均有可能通過平臺進行定制化合成。

這意味著,科學家們不僅能“人造”白糖,還能根據(jù)需求“設計”和“制造”自然界中含量稀少但功效獨特的高附加值糖分子,為功能食品、生物醫(yī)藥和新材料領域帶來無限可能。

四、 從“碳”到“糖”面臨的挑戰(zhàn)

從二氧化碳到甲醇,再從甲醇到蔗糖及更多糖類,科學家描繪出一條將溫室氣體直接轉化為食物的完整技術藍圖。當然,從實驗室的克級合成走向工業(yè)化的萬噸級生產,需在持續(xù)的優(yōu)化和攻關。

以云糖網小編淺薄的認知,從實驗室走向工業(yè)應用和市場普及仍面臨以下諸多挑戰(zhàn):

1、規(guī)模化生產的瓶頸

實驗室條件下已實現(xiàn)14g/L的產物濃度,但工業(yè)化生產面臨更嚴峻的挑戰(zhàn):

  • 體外酶系統(tǒng)在大規(guī)模反應器中的穩(wěn)定性問題;
  • 長時間連續(xù)運行過程中酶活性的衰減;
  • 大型反應設備中的溫度、pH值等條件均一性控制;
2、經濟性與成本控制
  • 酶的制備和純化成本較高,特別是需要工程化改造的特殊酶;
  • 甲醇原料成本與傳統(tǒng)種植甘蔗、甜菜的經濟性對比;
  • 初期設備投入大,投資回收周期長,能源消耗(尤其是從CO?到甲醇的轉化過程)成本高;
3、系統(tǒng)集成與優(yōu)化難題
  • 將CO?捕獲、甲醇合成和糖轉化三個過程無縫銜接的難度;
  • 多酶系統(tǒng)中各組分之間的相互影響和干擾;
  • 反應中間產物的積累可能導致的抑制效應;
  • 輔因子(如ATP)的再生與循環(huán)利用效率;
4、社會接受度與監(jiān)管壁壘
  • 消費者對”人工合成糖”的心理接受度;
  • 食品安全監(jiān)管機構對新型制糖技術的審批流程;
  • 市場教育和消費者認知轉變的時間成本;
  • 與傳統(tǒng)甘蔗種植、制糖產業(yè)可能存在沖突;

縱然,諸多的問題短時間不會改變現(xiàn)有格局,但是,毫無疑問,這項從“碳”到“糖”的突破,已經讓我們看到了一個由生物科技驅動,更加綠色、高效和自主的未來。它預示著,人類獲取基礎物資的方式正在被重塑。

或許,一個全新的“人工糖世界”已然開啟。

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