9月7日，記者走進(jìn)中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所（以下簡稱天津工業(yè)生物所）實驗室，該所功能糖與天然活性物質(zhì)團(tuán)隊（以下簡稱功能糖團(tuán)隊）成員正在忙著做實驗。

　　就在這間實驗室，他們將高濃度二氧化碳等原料在反應(yīng)溶液中按一定比例調(diào)配，在化學(xué)催化劑和酶催化劑的作用下，得到了葡萄糖、阿洛酮糖、塔格糖、甘露糖4種己糖。整套實驗反應(yīng)時長約17小時。

　　很難想象，千百年來，人類通過種植甘蔗等農(nóng)作物提取糖分的傳統(tǒng)方式，已經(jīng)被實驗室中這幾位年輕人顛覆。功能糖團(tuán)隊負(fù)責(zé)人、天津工業(yè)生物所研究員孫媛霞，帶領(lǐng)5名二三十歲的青年科研人員，經(jīng)過2年的探索，改變了糖自然合成途徑，實現(xiàn)二氧化碳到糖的精準(zhǔn)全合成，讓糖的獲取時長從“年”縮短到“小時”。該研究成果今年8月在線發(fā)表于國內(nèi)刊物《科學(xué)通報》。

　　延伸二氧化碳合成淀粉之路

　　以二氧化碳為原料，不依賴植物光合作用，直接人工合成淀粉——看似科幻的一幕，真實地發(fā)生在天津工業(yè)生物所的實驗室里。2021年9月24日，國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》報道了該所科研人員在國際上首次實現(xiàn)二氧化碳到淀粉的從頭合成。

　　作為天津工業(yè)生物所二氧化碳合成淀粉團(tuán)隊中的一員，該所副研究員楊建剛至今回憶往昔仍非常激動。

　　二氧化碳人工合成淀粉的路走通了，楊建剛和所里其他青年學(xué)者想在這條路上走得更遠(yuǎn)，探索更多未知，合成出更多的物質(zhì)。

　　淀粉之外，還可以合成什么？“大家首先想到的，是和淀粉同為碳水化合物的糖。”楊建剛說。

　　糖是人類生命活動及日常生活中的重要物質(zhì)，也是當(dāng)今工業(yè)生物制造的關(guān)鍵原材料。人們?yōu)榱双@取糖，采用物理、化學(xué)以及生物手段，經(jīng)過漫長的制糖過程，獲得葡萄糖、果糖等單糖。然而，傳承了上百年的制糖方法，正面臨一些挑戰(zhàn)。

　　“隨著人口數(shù)量的增多，我們對糖的需求量越來越大，以甘蔗等作物為原料獲取糖的方式，受到植物光合作用能量轉(zhuǎn)換效率的限制，在未來可能無法滿足日益增長的需求。”楊建剛說，除此之外，作物中糖的成分已經(jīng)相對固定，難以獲得一些稀有或天然不存在的單糖。

　　“眾多科學(xué)家將目光對準(zhǔn)了人工合成糖，人工將二氧化碳轉(zhuǎn)化為糖也成了國際研究熱點，我也想帶著大家試一試。”長期在稀少糖領(lǐng)域深耕的孫媛霞把想法提出后，就得到了人工合成淀粉項目首席科學(xué)家、天津工業(yè)生物所所長馬延和的支持。

　　二氧化碳合成糖項目被批準(zhǔn)立項后，很快就得到楊建剛、宋皖、王玉瑤等天津工業(yè)生物所年輕科研人員的積極響應(yīng)，大家干勁十足地投入到新項目中，功能糖團(tuán)隊從此踏上新征途。

　　尋找最佳“候選者”

　　“雖然二氧化碳合成淀粉成功了，但對于二氧化碳能否合成糖，一開始大家心里都沒底。”回憶起剛加入功能糖團(tuán)隊時的心情，天津工業(yè)生物所青年研究人員宋皖如是說。

　　當(dāng)時，國內(nèi)外很多團(tuán)隊都開展過相關(guān)研究，但仍未能解決一些棘手的問題。比如，由二氧化碳合成的糖是復(fù)合型糖，即多種類型的糖混在一起，這就給未來應(yīng)用帶來一些障礙。有的研究團(tuán)隊可以合成某些單一種類的糖，但合成效率比較低。

　　“這些也是擺在我們團(tuán)隊面前的難題。”楊建剛回憶道，“不過當(dāng)時我們認(rèn)為人工合成糖的原理和人工合成淀粉的差不多，畢竟都是合成碳水化合物，也都是通過化學(xué)和酶耦合的方法。”

　　于是，這支團(tuán)隊很快確定了從二氧化碳到糖的合成路徑。起初，研究工作一路高歌猛進(jìn)，但在催化劑的選擇上，他們陷入了困境。

　　“一開始，我們在自然界天然存在的生物酶中尋找催化劑‘候選者’。然而，事實證明，我們?yōu)榇俗吡艘欢魏荛L的彎路。”楊建剛回憶道。

　　每一次實驗，每一種催化劑，都寄托著團(tuán)隊的希望。不過，糖分子遲遲沒有出現(xiàn)在實驗的試管中。偶爾糖分子“曇花一現(xiàn)”，但過低的轉(zhuǎn)化率讓團(tuán)隊頗感失望。

　　發(fā)現(xiàn)“此路不通”，功能糖團(tuán)隊并沒有灰心，困境反而激發(fā)了他們的斗志。通過與天津工業(yè)生物所二氧化碳合成淀粉團(tuán)隊成員溝通討論，功能糖團(tuán)隊成員決定利用工程化設(shè)計改造天然催化劑。

　　“將二氧化碳轉(zhuǎn)化為葡萄糖，需要1個化學(xué)催化劑和7個酶元件。改造催化劑之外，我們還需要對7個酶元件進(jìn)行工程化設(shè)計。”楊建剛說，團(tuán)隊成員共篩選出100多個酶元件，從上千種組合適配的測試中，他們找出了“最棒的7個”。

　　每天，他們都會對實驗結(jié)果進(jìn)行反復(fù)討論，找到突破點，而后進(jìn)行改進(jìn)，再進(jìn)行下一次實驗。

　　在經(jīng)過一年半的時間、百余次的嘗試后，他們終于從上千個催化劑與組合中找到了最佳“候選者”。利用這些催化劑，二氧化碳合成糖的效率達(dá)到0.67克每升每小時，比其他已知技術(shù)路線提高10倍以上。葡萄糖的碳固定合成效率達(dá)到每毫克催化劑每分鐘59.8納摩爾碳，達(dá)到目前已知國內(nèi)外人工制糖的最高水平。

　　讓科研人員無后顧之憂

　　在人工淀粉合成和人工己糖合成研發(fā)過程中，人才起到了巨大的推動作用。

　　一般而言，科研人員每三年考核一次，其間如果沒有成果問世、沒有論文產(chǎn)出，可能會影響晉升。不過，作為中國科學(xué)院與天津市共建的研究機(jī)構(gòu)，天津工業(yè)生物所從建設(shè)之初就明確：不唯論文論英雄。

　　“我們在考核中更看重科研人員解決實際問題的能力。”馬延和說，“我們這樣做，一方面得益于天津市給予我們的經(jīng)費(fèi)保障和經(jīng)費(fèi)使用自由；另一方面，我們知道所里科研人員做的是具有開創(chuàng)性的基礎(chǔ)研究，只有用時間和耐心才能‘澆灌’出真正有價值的成果。”

　　“沒有后顧之憂，我們可以全身心地投入到科研中。”楊建剛表示，這種全方位的支持對青年科研人員來說尤為可貴，可以激發(fā)他們的潛能。

　　合成“大戰(zhàn)”告捷，但功能糖團(tuán)隊卻不敢松懈，依舊在實驗室里忙碌。“此次團(tuán)隊不僅實現(xiàn)了從二氧化碳到糖的精準(zhǔn)全合成，還成功構(gòu)建了人工生物系統(tǒng)，初步探索出一種靈活的、可拓展的糖制造模式。”孫媛霞介紹。

　　“利用該模式所獲得的糖可作為原料應(yīng)用于食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域。合成的葡萄糖等還可以作為工業(yè)生物制造關(guān)鍵原材料合成其他化學(xué)品，從而為負(fù)碳物質(zhì)合成提供原料供給。”楊建剛表示，功能糖團(tuán)隊正在繼續(xù)優(yōu)化這個模式，爭取早日將成果推向產(chǎn)業(yè)化。