白糖，不僅是廚房里的調(diào)味品，更是維系國(guó)計(jì)民生的重要戰(zhàn)略物資。數(shù)百年來(lái)，它的生產(chǎn)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(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所的一項(xiàng)突破性研究，正為這一傳統(tǒng)格局帶來(lái)了顛覆性的變革。首次構(gòu)建了體外生物轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，成功將甲醇–一種可由二氧化碳高效合成的“液態(tài)陽(yáng)光”–轉(zhuǎn)化為我們熟悉的蔗糖，為極端情況下糖業(yè)安全、實(shí)現(xiàn)碳中和開(kāi)辟了一條全新的技術(shù)路徑。

（中間有技術(shù)解碼繁文，后有結(jié)論，請(qǐng)讀完全文）

一、“人工造糖”

糖業(yè)的背后，是一筆關(guān)乎國(guó)家糧食安全的經(jīng)濟(jì)賬和資源賬。我國(guó)作為食糖消費(fèi)大國(guó)，年消耗量超過(guò)1500萬(wàn)噸，而國(guó)內(nèi)產(chǎn)量難以滿足需求，每年需進(jìn)口超過(guò)500萬(wàn)噸，對(duì)外依存度較高。傳統(tǒng)的制糖農(nóng)業(yè)，不僅需要占用大量寶貴的耕地，與糧食作物形成競(jìng)爭(zhēng)，還消耗著巨大的水資源。

人類是否能擺脫對(duì)自然種植的依賴，將糖的生產(chǎn)從“田間”轉(zhuǎn)變到“車(chē)間”。

科學(xué)家將目光投向了甲醇。甲醇作為一種簡(jiǎn)單的C1化合物，其來(lái)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(guò)工業(yè)廢氣中的二氧化碳進(jìn)行催化合成。特別是后者，由中國(guó)科學(xué)院大連化物所等團(tuán)隊(duì)發(fā)展的二氧化碳加氫制甲醇技術(shù)，被譽(yù)為制造“液態(tài)陽(yáng)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(zhuǎn)化路徑，就意味著我們能夠構(gòu)建一條不依賴土地、不與人爭(zhēng)糧的全新制糖模式，其戰(zhàn)略意義不言而喻。

二、 科學(xué)解碼從甲醇到蔗糖的“分子生產(chǎn)線”

▲圖1 體外轉(zhuǎn)化非糧低碳原料合成蔗糖

▲圖2 低碳合成直鏈淀粉研究結(jié)果

以上圖片源自中國(guó)科學(xué)院官方微信。

正如圖所揭示的，這項(xiàng)研究的核心在于設(shè)計(jì)并搭建了一條前所未有的“分子生產(chǎn)線”。研究團(tuán)隊(duì)摒棄了傳統(tǒng)的細(xì)胞發(fā)酵模式，轉(zhuǎn)而采用體外生物轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。這一“無(wú)細(xì)胞”系統(tǒng)，如同一個(gè)精密的生物反應(yīng)器，其中僅包含完成特定催化任務(wù)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(méi)有模仿植物復(fù)雜的光合作用路徑，而是設(shè)計(jì)了一條非天然的、更高效的蔗糖合成路線。從甲醇（C1）出發(fā)，通過(guò)一系列酶的催化接力，依次轉(zhuǎn)化為甲醛、二羥基丙酮（DHA），再進(jìn)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(yīng)生成蔗糖（C12）。
• 熱力學(xué)優(yōu)勢(shì)與高效率：
  
  這條人工設(shè)計(jì)的路徑在能量消耗和反應(yīng)步驟上具有顯著優(yōu)勢(shì)（如上圖所示）。通過(guò)對(duì)蔗糖合酶（Sucrose Synthase）等關(guān)鍵酶進(jìn)行定向改造，其催化效率提升了3至71倍，突破了反應(yīng)瓶頸。最終，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高達(dá)86%的甲醇到蔗糖的轉(zhuǎn)化產(chǎn)率和5.7克/升/小時(shí)的合成速率，展示了其工業(yè)應(yīng)用的巨大潛力。
• 過(guò)程可控性強(qiáng)：
  
  體外系統(tǒng)避免了細(xì)胞內(nèi)復(fù)雜的代謝網(wǎng)絡(luò)干擾，使得整個(gè)過(guò)程的優(yōu)化和調(diào)控更為直接、簡(jiǎn)單，產(chǎn)物純度也更高。

三、 開(kāi)啟“人工糖世界”的大門(mén)

這項(xiàng)研究的價(jià)值遠(yuǎn)不止于合成蔗糖。它所構(gòu)建的體外生物轉(zhuǎn)化平臺(tái)，更像一把打開(kāi)“人工糖世界”的鑰匙。正如圖2 中所示，該平臺(tái)具有極強(qiáng)的可擴(kuò)展性。

通過(guò)更換或添加不同的酶模塊，研究人員已經(jīng)成功利用這一系統(tǒng)，從甲醇等低碳原料出發(fā)，合成了更多種類的糖及衍生物，例如：

• 淀粉（Starch, Cn）：實(shí)現(xiàn)了無(wú)需引物即可從頭合成淀粉，其合成速率優(yōu)于此前報(bào)道的系統(tǒng)。
• 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(zhì)在食品、保健品和飼料領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。
• 其他功能糖：如蔗糖的同分異構(gòu)體海藻糖、功能性單糖等，未來(lái)均有可能通過(guò)平臺(tái)進(jìn)行定制化合成。

這意味著，科學(xué)家們不僅能“人造”白糖，還能根據(jù)需求“設(shè)計(jì)”和“制造”自然界中含量稀少但功效獨(dú)特的高附加值糖分子，為功能食品、生物醫(yī)藥和新材料領(lǐng)域帶來(lái)無(wú)限可能。

四、 從“碳”到“糖”面臨的挑戰(zhàn)

從二氧化碳到甲醇，再?gòu)募状嫉秸崽羌案嗵穷悾茖W(xué)家描繪出一條將溫室氣體直接轉(zhuǎn)化為食物的完整技術(shù)藍(lán)圖。當(dāng)然，從實(shí)驗(yàn)室的克級(jí)合成走向工業(yè)化的萬(wàn)噸級(jí)生產(chǎn)，需在持續(xù)的優(yōu)化和攻關(guān)。

以云糖網(wǎng)小編淺薄的認(rèn)知，從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)應(yīng)用和市場(chǎng)普及仍面臨以下諸多挑戰(zhàn)：

實(shí)驗(yàn)室條件下已實(shí)現(xiàn)14g/L的產(chǎn)物濃度，但工業(yè)化生產(chǎn)面臨更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：

• 體外酶系統(tǒng)在大規(guī)模反應(yīng)器中的穩(wěn)定性問(wèn)題；
• 長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中酶活性的衰減；
• 大型反應(yīng)設(shè)備中的溫度、pH值等條件均一性控制；

• 酶的制備和純化成本較高，特別是需要工程化改造的特殊酶；
• 甲醇原料成本與傳統(tǒng)種植甘蔗、甜菜的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比；
• 初期設(shè)備投入大，投資回收周期長(zhǎng)，能源消耗（尤其是從CO?到甲醇的轉(zhuǎn)化過(guò)程）成本高；

• 將CO?捕獲、甲醇合成和糖轉(zhuǎn)化三個(gè)過(guò)程無(wú)縫銜接的難度；
• 多酶系統(tǒng)中各組分之間的相互影響和干擾；
• 反應(yīng)中間產(chǎn)物的積累可能導(dǎo)致的抑制效應(yīng)；
• 輔因子(如ATP)的再生與循環(huán)利用效率；

• 消費(fèi)者對(duì)”人工合成糖”的心理接受度；
• 食品安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)對(duì)新型制糖技術(shù)的審批流程；
• 市場(chǎng)教育和消費(fèi)者認(rèn)知轉(zhuǎn)變的時(shí)間成本；
• 與傳統(tǒng)甘蔗種植、制糖產(chǎn)業(yè)可能存在沖突；

縱然，諸多的問(wèn)題短時(shí)間不會(huì)改變現(xiàn)有格局，但是，毫無(wú)疑問(wèn)，這項(xiàng)從“碳”到“糖”的突破，已經(jīng)讓我們看到了一個(gè)由生物科技驅(qū)動(dòng)，更加綠色、高效和自主的未來(lái)。它預(yù)示著，人類獲取基礎(chǔ)物資的方式正在被重塑。

或許，一個(gè)全新的“人工糖世界”已然開(kāi)啟。