空气变糖，不是魔术

回顾2023年国内重大科技成果，有这样一项成果绕不过去，那就是从二氧化碳到糖的精准全合成。

从空气到糖，如此奇妙的跨越让人充满无限遐想，如今在中国科学家的手中成为现实。这个跨越有着怎样的缘起，如何实现，又将给我们的生活带来怎样的变化？《瞭望东方周刊》记者走进这项科研成果的诞生地——中国科学院天津工业生物技术研究所，一探究竟。

从二氧化碳到淀粉

在天津滨海新区旗下空港经济区的一处幽静道路旁，坐落着中国科学院天津工业生物技术研究所（以下简称“研究所”）。该研究所由中国科学院和天津市人民政府共建，2012年11月29日通过验收，是专门从事生物技术创新、推动工业领域生态发展的科研机构。

步入中国科学院天津工业生物技术研究所办公大楼，首先映入眼帘的是密密麻麻一整面专利墙，显示了该研究所的科研硬实力。

有没有可能有一种颠覆模式，代替农业种植提取淀粉，就像使用啤酒酵母做啤酒那样。

该研究所从事二氧化碳的研究由来已久。2021年，中国科学院天津工业生物技术研究所实现了从二氧化碳到淀粉的实验室人工合成，相关成果由国际知名学术期刊《科学》在线发表，一时蜚声海外。

对此，论文通讯作者、中国科学院天津工业生物技术研究所原所长马延和称：“中国是农业大国，粮食问题是头等大事。大家做了很多努力，希望提高农作物的生产效率。我们就想，有没有可能有一种颠覆模式，代替农业种植提取淀粉，就像使用啤酒酵母做啤酒那样。一旦能实现，效率肯定会大幅提升，还能节约土地。”

据介绍，经过计算机算法挖掘和筛选，团队锁定了30条人工合成淀粉的可能路径，反复研究实验，经历了数百次失败。

“当时，没有文章，没有成果，没有产出，对团队来讲压力很大。”马延和回忆道，为此他们设计了一个特别的组织机制，考核不以文章、产出为指标，只看有没有真正在工作、思考解决问题。

据悉，中国科学院天津工业生物技术研究所立了新规矩，科研人员选定科研方向后，不发表论文、不申请课题，同样可以有体面的收入。科研人员的工作，不以论文多少、课题多少作为单纯的衡量指标。而是把社会贡献度作为评价科研人员的主要指标，关键看对国家、地方、科技发展作出的贡献有多大，在科学界和产业界形成的影响有多大。

六年磨一剑，团队终于迎来突破。

从“年”到“小时”

马延和表示，二氧化碳合成淀粉仅仅是“0到1”的实验结果，万里长征走出了第一步。

两年后的2023年，站在合成淀粉成果的“肩膀”上，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科研团队合作，实现了又一次创新——从二氧化碳到糖的精准全合成。这一成果发表在了国内著名学术期《科学通报（Chinese Science Bulletin）》上。

“这一次，我们的研究实现了糖分子精准从头合成，解决了糖分子立体结构可控的难题。”在实验室内，身穿白大褂的中国科学院天津工业生物技术研究所副研究员、论文第一作者杨建刚说，这项在实验室里结出的硕果，为跳出自然束缚，利用二氧化碳创造多样的糖提供了可能。

这项突破是如何实现的？杨建刚娓娓道来。

科研团队从碳素缩合、异构、脱磷等酶促反应入手，首先用人工方式改造自然来源酶催化剂的催化特性，这也是此次研究的最关键创新。

进入到实验操作环节，研究人员将二氧化碳等原料在反应溶液中按一定比例调配，在人工改造过的酶等催化剂的催化作用下，仅用约17个小时，就高效、精准获得了葡萄糖、阿洛酮糖、塔格糖、甘露糖。

杨建刚表示，此次糖合成的效率为0.67克每升每小时，比此前成果提高10倍以上，碳转化率高于传统植物光合作用，是目前人工制糖路线中的最高水平。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。

德国科学院院士曼弗雷德·雷茨就此评价称，从二氧化碳转化为糖是特别有挑战性的工作，这一成果提供了一种灵活性、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。

精准制糖，造福患者

除了高效，研究成果的另一大突出特性是精准。

换言之，想合成什么样的糖，在实验环节就能人为控制。“这是人工碳水合成领域的又一重要成果。”马延和说。

糖，每个人都不陌生。它用甜蜜的味道给人带来快乐，但也让高血糖慢性病等患者望而生畏。在这次科研创新中，研究人员首次成功实验合成4种己糖。那么，什么是己糖，合成它的必要性在哪儿呢？

“己糖是自然界中分布最广、数量也最丰富的单糖，比如葡萄糖，就是自然界中含量最多的己糖，也是生命结构与贮能的重要物质。”杨建刚解说道，人体所需要的70%左右的能量由糖提供，每克葡萄糖在人体内氧化能产生4000卡能量。除葡萄糖外，己糖家族还有以阿洛酮糖、塔格糖为代表的稀少糖，它们具有与食糖相似的甜味口感，但具有优秀的低升糖指数，对糖尿病等患者友好。

糖尿病是全球常见的慢性病之一。据国际糖尿病联盟的数据，中国成人糖尿病患者正逐渐增加，2021年约有1.41亿人，较2019年增长21.55%。

在中国科学院天津工业生物技术研究所，《瞭望东方周刊》记者品尝到了含有阿洛酮糖的深红色软糖，其口味与一般软糖差别不大。

据介绍，阿洛酮糖甜度约为蔗糖的70%，对促进消化、控制体重、抑制血糖均能起到一定作用，是有助于减肥及改善体脂率的新一代天然甜味剂。不过，稀少糖无法通过提取进行生产，这制约了其产业化及应用推广。这次研究成果，实现了精准控制合成不同结构与功能的己糖，包括相对更健康的稀少糖，有望建立可进一步延伸糖产物种类和构型的生物系统。不同种类糖的产业化都将因科研突破春山可望。

绿色合成，一举多得

千百年来，“二氧化碳-生物质资源-糖”的传统加工过程，受到植物光合作用能量转换效率限制。随着土地退化，以及全球变暖导致的极端天气频发，传统糖业正面临供应风险。

国际糖业组织预测，2024年度全球食糖产量将同比下降1.2%，至1.75亿吨。在此背景下，人工高效、精准制糖，有望帮助人类减少来自农业生产的不确定性风险，更充分地满足人类对糖的需求。

杨建刚表示，新研究成果方法获得的糖，可作为原料应用于食品、医药等领域，缓解日益增长的人口对糖的需求压力。

不仅如此，糖还是工业生物制造产业的关键原材料。当前，工业发酵以葡萄糖等糖质材料作为原料，其主要来源于玉米、马铃薯等粮食作物，存在与人争粮的风险。

杨建刚称，合成的葡萄糖等糖分子可作为工业生物制造关键原材料，合成其他化学品。这个路线除了可以二氧化碳为原料，还能以煤炭、工业废气等原料制备甲醇，进一步转化为所需要的糖等碳水化合物。

“我国用占全球9%的耕地、6%的淡水资源生产的粮食，养活了占全球近20%的人口。”北京化工大学教授张一飞认为，此次科研成果利用更少的能量，以更短的催化路径精确合成了多种附加值更高的糖分子，为制糖提供了一条潜在非农业路线，也为农业工业化开辟了新思路。

值得一提的是，在低碳发展成为全球大势所趋的背景下，研究为二氧化碳的转化利用提供了全新方案。人工转化合成碳水化合物是消耗二氧化碳的过程，将二氧化碳转化为淀粉、糖等人类生产生活必需品，一举多得。当前，二氧化碳的相关研究仍在推进。

不久前，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所于涛课题组与美国加州大学伯克利分校的课题组发表了最新研究成果。该研究利用合成生物学和代谢工程手段开发的酵母细胞平台，可将低碳化合物如甲醇、乙醇、异丙醇等，转化为糖及糖衍生物如葡萄糖、肌醇、氨基葡萄糖、蔗糖和淀粉。据悉，通过代谢重构和葡萄糖抑制调控，葡萄糖和蔗糖的产量可达到每升数十克。这一成果有助于丰富基于可再生能源驱动的农业新范式。

科学家正不断开启更多通向未知世界的大门，科技让人们拥有了更多诸如二氧化碳变糖的“甜蜜”幸福感。