9月7日，記者走進中國科學院天津工業(ye) 生物技術研究所（以下簡稱天津工業(ye) 生物所）實驗室，該所功能糖與(yu) 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(men) 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(nong) 作物提取糖分的傳(chuan) 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(ye) 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(cong) “年”縮短到“小時”。該研究成果今年8月在線發表於(yu) 國內(nei) 刊物《科學通報》。

　　延伸二氧化碳合成澱粉之路

　　以二氧化碳為(wei) 原料，不依賴植物光合作用，直接人工合成澱粉——看似科幻的一幕，真實地發生在天津工業(ye) 生物所的實驗室裏。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澱粉的從(cong) 頭合成。

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

　　二氧化碳人工合成澱粉的路走通了，楊建剛和所裏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。

　　澱粉之外，還可以合成什麽(me) ？“大家首先想到的，是和澱粉同為(wei) 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(ye) 生物製造的關(guan) 鍵原材料。人們(men) 為(wei) 了獲取糖，采用物理、化學以及生物手段，經過漫長的製糖過程，獲得葡萄糖、果糖等單糖。然而，傳(chuan) 承了上百年的製糖方法，正麵臨(lin) 一些挑戰。

　　“隨著人口數量的增多，我們(men) 對糖的需求量越來越大，以甘蔗等作物為(wei) 原料獲取糖的方式，受到植物光合作用能量轉換效率的限製，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(zhong) 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(wei) 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後，就得到了人工合成澱粉項目首席科學家、天津工業(ye) 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後，很快就得到楊建剛、宋皖、王玉瑤等天津工業(ye) 生物所年輕科研人員的積極響應，大家幹勁十足地投入到新項目中，功能糖團隊從(cong) 此踏上新征途。

　　尋找最佳“候選者”

　　“雖然二氧化碳合成澱粉成功了，但對於(yu) 二氧化碳能否合成糖，一開始大家心裏都沒底。”回憶起剛加入功能糖團隊時的心情，天津工業(ye) 生物所青年研究人員宋皖如是說。

　　當時，國內(nei) 外很多團隊都開展過相關(guan) 研究，但仍未能解決(jue) 一些棘手的問題。比如，由二氧化碳合成的糖是複合型糖，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(men) 團隊麵前的難題。”楊建剛回憶道，“不過當時我們(men) 認為(wei) 人工合成糖的原理和人工合成澱粉的差不多，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。”

　　於(yu) 是，這支團隊很快確定了從(cong) 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(men) 陷入了困境。

　　“一開始，我們(men) 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(men) 為(wei) 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”，功能糖團隊並沒有灰心，困境反而激發了他們(men) 的鬥誌。通過與(yu) 天津工業(ye) 生物所二氧化碳合成澱粉團隊成員溝通討論，功能糖團隊成員決(jue) 定利用工程化設計改造天然催化劑。

　　“將二氧化碳轉化為(wei) 葡萄糖，需要1個(ge) 化學催化劑和7個(ge) 酶元件。改造催化劑之外，我們(men) 還需要對7個(ge) 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(ge) 酶元件，從(cong) 上千種組合適配的測試中，他們(men) 找出了“最棒的7個(ge) ”。

　　每天，他們(men) 都會(hui) 對實驗結果進行反複討論，找到突破點，而後進行改進，再進行下一次實驗。

　　在經過一年半的時間、百餘(yu) 次的嚐試後，他們(men) 終於(yu) 從(cong) 上千個(ge) 催化劑與(yu) 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鍾59.8納摩爾碳，達到目前已知國內(nei) 外人工製糖的最高水平。

　　讓科研人員無後顧之憂

　　在人工澱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(chan) 出，可能會(hui) 影響晉升。不過，作為(wei) 中國科學院與(yu) 天津市共建的研究機構，天津工業(ye) 生物所從(cong) 建設之初就明確：不唯論文論英雄。

　　“我們(men) 在考核中更看重科研人員解決(jue) 實際問題的能力。”馬延和說，“我們(men) 這樣做，一方麵得益於(yu) 天津市給予我們(men) 的經費保障和經費使用自由；另一方麵，我們(men) 知道所裏科研人員做的是具有開創性的基礎研究，隻有用時間和耐心才能‘澆灌’出真正有價(jia) 值的成果。”

　　“沒有後顧之憂，我們(men) 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(wei) 可貴，可以激發他們(men) 的潛能。

　　合成“大戰”告捷，但功能糖團隊卻不敢鬆懈，依舊在實驗室裏忙碌。“此次團隊不僅(jin) 實現了從(cong) 二氧化碳到糖的精準全合成，還成功構建了人工生物係統，初步探索出一種靈活的、可拓展的糖製造模式。”孫媛霞介紹。

　　“利用該模式所獲得的糖可作為(wei) 原料應用於(yu) 食品、醫藥等領域。合成的葡萄糖等還可以作為(wei) 工業(ye) 生物製造關(guan) 鍵原材料合成其他化學品，從(cong) 而為(wei) 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(you) 化這個(ge) 模式，爭(zheng) 取早日將成果推向產(chan) 業(ye) 化。