新华社天津8月16日电（记者毛振华、王井怀）著名学术期刊《科学通报》15日刊发最新研究成果显示，中国科学家在实验室内实现了从二氧化碳到糖的精准全合成，人工合成糖迈出关键一步。
糖是人体所需能量的主要来源。人工合成糖是近年来科学界孜孜以求的方向，在此之前，全球已有多位科学家作出不同程度的贡献。
此次研究成果由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历时两年多攻关完成。论文第一作者杨建刚介绍，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。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。
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。
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。
研究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。
德国科学院院士曼弗雷德·雷茨就论文给出评价意见认为，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。（完）
此前中国已经实现二氧化碳到淀粉的合成
不依赖植物，利用太阳能、二氧化碳和水，产生可再生的绿色燃料，包括甲醇和乙醇等。
淀粉的结构更加复杂，，在结构上还有直链和支链之分。为了实现从二氧化碳到淀粉的全合成，他们克服了多个难关。
除此之外，二氧化碳还原是一个慢过程，二氧化碳向甲醇等只有一个碳原子的有机物的转化，限制了后续朝着淀粉方向的反应。生物酶具有加快反应进程的能力，也就是促使简单分子向复杂生物大分子的转化；类似地，化学中的无机催化剂也能显著降低反应需要的能量，从而提高反应的速率。因此，研究人员想到，是否可以利用无机催化剂的催化作用，来提高第一步二氧化碳还原的反应速率？
仅11步反应路径
对于二氧化碳还原这一步，他们采用了李灿院士等人此前研发的氧化锌-氧化锆（ZnO-ZrO2）催化剂，这种催化剂能提高二氧化碳的转化速率和还原产物甲醇的产率。而另外一种关键的气体氢气是通过太阳能电解水制得的。这种设计理念也符合此前提到的“液态阳光”，只用到了太阳能、水和二氧化碳，就产生了甲醇。
而为了解决人为调控时不同生物酶之间的协调性问题，研究人员基于已有数据库中的6000多种反应路径，利用现代理论计算的方法，从头设计和构建了二氧化碳到淀粉的生化反应路径。他们确定了当在将二氧化碳转变为甲醇之后，只需要“走”10步生化过程就可以实现淀粉的合成。这条优化后的路径，比植物天然合成淀粉更具优势，避免路径众多、光合作用效率低的弱点。
他们巧妙地采用了“模块化”的方法，将反应路径分为4个模块。他们基于各个模块最终产物的碳原子数，将其分别命名为C1模块（甲醇到甲醛）、C3模块（甲醛到3-磷酸甘油醛（GAP，含3个碳原子））、C6模块（GAP到D-葡萄糖-6-磷酸（G-6-P，含6个碳原子））和Cn模块（G-6-P到淀粉）。每个模块的起始物和产物是确定的，他们通过理论计算，比较不同的反应路径，最终找到了4个模块最优的组合方式，成功设计出了人工合成淀粉的生化反应路径——在多种生物酶的协同作用下，只需要“走”10步生化反应就可以实现淀粉的合成。
但实验研究并没有就此停下来。在原始设计C3、C6和Cn模块中，他们发现存在3种低活性的酶。通过利用蛋白质工程技术对酶进行改造，他们制造出了3种相应的高活性酶，提高了这3个模块的反应速率和最终淀粉的产率。
不过，二氧化碳的化学还原过程需要相对较高的反应温度和压力，而生物过程中用到的生物酶的适用温度往往比较低。因此，要想把化学和生化过程串联起来，研究人员不能简单地把化学反应和生化反应放在一个单元里，他们需要分别构建一个化学单元和一个生化单元，两个单元之间还得加上冷凝装置。也就是说，二氧化碳化学还原出的甲醇得经过冷凝过程才能进入生化单元，参与接下来的生化反应。
至此一个完整的、从二氧化碳到淀粉的反应链得以完成。二氧化碳化学还原（第1步反应），与生物酶催化的生化反应（10步反应）偶联在一起，构成了这条优化后的路径。它比植物天然合成淀粉更具优势，其淀粉合成速率约是天然合成速率的8.5倍，而且从太阳能到淀粉的能量转化效率约是自然光合作用的3.5倍。相比于植物需要60多步反应，仅11步的人工合成方法，可以说是一种重大的胜利。
