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

作者: yntw.com管理員發布: 2025-07-10 0評論

白糖，不僅是廚房里的調味品，更是維系國計民生的重要戰略物資。數百年來，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生物技術研究所的一項突破性研究，正為這一傳統格局帶來了顛覆性的變革。首次構建了體外生物轉化系統，成功將甲醇–一種可由二氧化碳高效合成的“液態陽光”–轉化為我們熟悉的蔗糖，為極端情況下糖業安全、實現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。傳統的制糖農業，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展的二氧化碳加氫制甲醇技術，被譽為制造“液態陽光”，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的細胞發酵模式，轉而采用體外生物轉化系統。這一“無細胞”系統，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，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，系統實現了高達86%的甲醇到蔗糖的轉化產率和5.7克/升/小時的合成速率，展示了其工業應用的巨大潛力。
過程可控性強：

體外系統避免了細胞內復雜的代謝網絡干擾，使得整個過程的優化和調控更為直接、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，從甲醇等低碳原料出發，合成了更多種類的糖及衍生物，例如：

淀粉（Starch, Cn）：實現了無需引物即可從頭合成淀粉，其合成速率優于此前報道的系統。
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、生物醫藥和新材料領域帶來無限可能。