糖是人类生命活动及日常生活中重要物质,也是当今工业生物制造的关键原材料。迄今为止，人类对糖的获取主要依赖于植物类生物质资源。然而，这种传统的“二氧化碳-生物质资源-糖”的加工过程，受到植物光合作用能量转换效率限制。更重要的是，由于土地退化和短缺、生态系统退化、全球变暖导致的极端天气和自然灾害，依赖于糖类生物质资源的生产方式面临着原料供应安全和风险等问题。为解决这一系列问题，需要将这种传统制糖过程向非糖类生物质资源制造模式转变。

中国科学院天津工业生物技术研究所功能糖与天然活性物质研究团队围绕上述问题和挑战，基于碳素缩合、异构、脱磷等酶促反应，与中国科学院大连化学物理研究所合作，建立了化学-酶级联转化二氧化碳合成己糖人工合成途径，通过酶分子改造技术提升了天然酶活性、底物特异性等催化性能，构建了碳一-碳三-碳六三个功能模块，体外实现了精准控制合成不同结构与功能的己糖，该途径转化率高于传统植物光合作用。 同时，产物浓度和碳-糖转化速率高于已公开报道的化学法合成糖、电化学-酵母发酵耦联法合成糖等人工制糖方法。

研究构建的糖人工合成系统可进一步耦联其他酶促生物化学反应，制备结构多样的糖分子及其衍生物。 因此，该研究成果建立了一种从二氧化碳、甲醇、甲醛等碳一化合物合成己糖方法，实现了较高转化效率与精准可控构型的已糖人工合成，将为从非生物质原料转化形成多样性的人工糖产物提供一种可能性。  

人工己糖合成路线设计

相关研究结果于2023年8月16日发表在了《科学通报》（Science Bulletin）上。论文题为： De novo artificial synthesis of hexoses from carbon dioxide 。中科院天津工生所马延和、孙媛霞为论文通讯作者。这也是马延和团队在从二氧化碳人工合成淀粉后的又一突破。

2021年9月24日，马延和团队在国际顶尖学术期刊Science上发表了题为 ： Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide 的研究论文。

该研究采用一种类似“搭积木”的方式，从头设计、构建了11步反应的非自然固碳与淀粉合成途径，在实验室中首次实现从二氧化碳到淀粉分子的全合成。核磁共振等检测发现，人工合成淀粉分子与天然淀粉分子的结构组成一致。实验室初步测试显示，人工合成淀粉的效率约为传统农业生产淀粉的8.5倍。

在充足能量供给的条件下，按照目前技术参数，理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于我国5亩玉米地的年产淀粉量。 这条新路线使淀粉生产方式从传统的农业种植向工业制造转变成为可能，为从CO2合成复杂分子开辟了新的技术路线。 

题图为论文通讯作者、中国科学院天津工业生物技术研究所马延和研究员