在中國科學院天津工業生物技術研究所實驗室，該所副研究員楊建剛（左）和同事在討論工作進展。

(資料圖)

新華社記者 金立旺攝

9月7日，記者走進中國科學院天津工業生物技術研究所（以下簡稱天津工業生物所）實驗室，該所功能糖與天然活性物質團隊（以下簡稱功能糖團隊）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溶液中按一定比例調配，在化學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。整套實驗反應時長約17小時。

很難想象，千百年來，人類通過種植甘蔗等農作物提取糖分的傳統方式，已經被實驗室中這幾位年輕人顛覆。功能糖團隊負責人、天津工業生物所研究員孫媛霞，帶領5名二三十歲的青年科研人員，經過2年的探索，改變了糖自然合成途徑，實現二氧化碳到糖的精準全合成，讓糖的獲取時長從“年”縮短到“小時”。該研究成果今年8月在線發表于國內刊物《科學通報》。

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，真實地發生在天津工業生物所的實驗室里。2021年9月24日，國際學術期刊《科學》報道了該所科研人員在國際上首次實現二氧化碳到淀粉的從頭合成。

作為天津工業生物所二氧化碳合成淀粉團隊中的一員，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者想在這條路上走得更遠，探索更多未知，合成出更多的物質。

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，也是當今工業生物制造的關鍵原材料。人們為了獲取糖，采用物理、化學以及生物手段，經過漫長的制糖過程，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。

“隨著人口數量的增多，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。

“眾多科學家將目光對準了人工合成糖，人工將二氧化碳轉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家、天津工業生物所所長馬延和的支持。

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

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隊時的心情，天津工業生物所青年研究人員宋皖如是說。

當時，國內外很多團隊都開展過相關研究，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合型糖，即多種類型的糖混在一起，這就給未來應用帶來一些障礙。有的研究團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隊面前的難題。”楊建剛回憶道，“不過當時我們認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，也都是通過化學和酶耦合的方法。”

于是，這支團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，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，我們為此走了一段很長的彎路。”楊建剛回憶道。

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

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

“將二氧化碳轉化為葡萄糖，需要1個化學催化劑和7個酶元件。改造催化劑之外，我們還需要對7個酶元件進行工程化設計。”楊建剛說，團隊成員共篩選出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，他們都會對實驗結果進行反復討論，找到突破點，而后進行改進，再進行下一次實驗。

在經過一年半的時間、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到0.67克每升每小時，比其他已知技術路線提高10倍以上。葡萄糖的碳固定合成效率達到每毫克催化劑每分鐘59.8納摩爾碳，達到目前已知國內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、沒有論文產出，可能會影響晉升。不過，作為中國科學院與天津市共建的研究機構，天津工業生物所從建設之初就明確：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費保障和經費使用自由；另一方面，我們知道所里科研人員做的是具有開創性的基礎研究，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，可以激發他們的潛能。

合成“大戰”告捷，但功能糖團隊卻不敢松懈，依舊在實驗室里忙碌。“此次團隊不僅實現了從二氧化碳到糖的精準全合成，還成功構建了人工生物系統，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用于食品、醫藥等領域。合成的葡萄糖等還可以作為工業生物制造關鍵原材料合成其他化學品，從而為負碳物質合成提供原料供給。”楊建剛表示，功能糖團隊正在繼續優化這個模式，爭取早日將成果推向產業化。