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糖是人类生活不可或缺的重要物质，同时也是工业制造的核心原料。其主要的来源仍然是植物类生物质资源，这一现状是种出的结果，源于人类长期的探索和依赖。然而，传统依赖“二氧化碳-生物质资源-糖”的生产流程受到植物光合作用效率的制约，面临着原料供应的种种挑战。化学制糖的方法虽存在，但因其较低的转化效率和人们对化学制品的疑虑，使得这一方法未能广泛应用。正是因此，科学家们渴望着利用生物方法制造出糖，即非糖类生物质资源的利用。这看似与二氧化碳这一温室气体、环境污染的源头格格不入，但在我国科研人员的智慧与创新下，二者竟能巧妙结合，为糖的生产带来了新的曙光。通过科研人员的努力，二氧化碳在糖的制造过程中发挥了重要作用，这不仅是对传统制糖方式的革新，更是对环境保护和资源利用的新探索。
二氧化碳制糖技术，并非直接将二氧化碳转化为糖类物质，而是科研人员通过创新技术，实现了从二氧化碳出发，精准合成糖的突破。这项技术基于碳素缩合、异构以及脱磷等酶促反应，构建了化学-酶耦联的非天然转化途径。通过对酶蛋白分子的工程化设计改造，催化特性得以精准控制，从而实现了对不同结构与功能的己糖的合成。此项技术的碳转化率不仅超越了传统的植物光合作用，同时也优于已报道的化学法制糖以及电化学-生物学耦联的人工制糖方法，达到了当前人工制糖路线中的最高水平。同时，此技术建立了可扩展的生物系统，能够进一步拓展糖产物的种类和构型，为人工创造糖分子多样性提供了可能。这一研究颠覆了以往依赖糖生物质资源转化制备复杂糖分子的模式，开启了一种灵活、可拓展的糖制造新模式。该技术能够获取自然界中稀有的功能糖分子，从而拓宽其应用范围。所合成的糖类可作为食品、医药等领域的原料，同时也可作为工业生物制造的关键原材料，用于合成其他化学品，满足人类的各种物质需求，为负碳物质的合成提供重要原料。这一成果在竞争性研究领域取得了真正的突破，为绿色化学的发展打开了一扇新的大门，展现出了其灵活性、多功能性和高效性。
在《科学》国际学术期刊上，我国科研人员首次宣布成功实现了二氧化碳直接人工合成淀粉的突破性进展，这一过程不再依赖植物光合作用。这一里程碑式的成就引发了人们对于二氧化碳人工合成其他化合物的思考。除了淀粉，科学家们开始探索合成与淀粉同为碳水化合物的糖类物质。糖是人类生命活动和日常生活中不可或缺的重要物质，也是现代工业生物制造的关键原料。传统上，人们通过物理、化学和生物手段，经过复杂的制糖过程，获取葡萄糖、果糖等单糖。然而，传统的制糖方法正面临着挑战。随着人口增长，对糖的需求量日益增加，而以甘蔗等作物为原料的制糖方式受限于植物光合作用的能量转换效率，可能无法满足未来的需求。此外，作物中糖的成分相对固定，难以获取一些稀有或天然不存在的单糖。因此，众多科学家开始将目光投向人工合成糖类物质的研究。在二氧化碳合成糖项目被批准立项后，这一研究得到了大批科研人员的积极响应。他们充满干劲地投入到这个新项目中，期待能够开拓出功能糖类物质的新领域，为人类的生活和工业制造带来新的可能性。从此，功能糖团队踏上了新的征程。
尽管二氧化碳合成淀粉取得了成功，但对于能否由二氧化碳进一步合成糖类物质，我国科研人员尚持谨慎态度。这一议题在国内外引发了众多研究团队的关注，虽然已有多项相关研究开展，但仍面临诸多挑战。特别地，由二氧化碳合成的糖类往往是复合型糖，即多种糖类混合物，这在未来的应用中带来了一定的障碍。部分研究团队能够合成某些单一类型的糖类，但其合成效率尚处于较低水平。科研人员认为，人工合成糖与人工合成淀粉的原理类似，均为合成碳水化合物的过程。这通常借助化学和酶耦合的方法来实现。基于此，科研人员迅速明确了从二氧化碳到糖的合成路径。在研究的初期阶段，他们取得了一些初步进展，但在寻找合适的催化剂时遇到了难题。他们尝试从自然界中寻找天然的生物酶作为催化剂的候选者。然而，探索的道路上布满了坎坷与挑战。在每次实验中，无论哪一种催化剂的尝试，都承载着我国科研团队的期望。尽管偶尔在实验过程中糖分子似乎“闪现”，但由于其转化率过低，仍未能带来实质性的突破。然而，面对困境，功能糖研究团队并未气馁，他们决心通过工程化设计对天然催化剂进行改造。为了将二氧化碳转化为葡萄糖，不仅需要化学催化剂的协助，还涉及七个酶元件的共同作用。团队成员进行了广泛筛选，从数百种酶元件中选出了最终需要的一百多个候选者。经过数千次组合适配测试后，他们确定了那“最棒的七个”。他们每天对实验结果进行深入讨论，寻找突破点并不断改进实验方案。经过一年半的努力和百余次的尝试后，他们终于在上千个催化剂与组合中找到了最佳候选者。利用这些催化剂，二氧化碳合成糖的效率大幅提高，每升每小时能够合成0.67克糖类物质，较之前已知的技术路线提升了十倍以上。同时，其碳固定合成效率也达到了业界领先的每毫克催化剂每分钟59.8纳摩尔碳的水平。尽管已经取得了显著的成果，但功能糖团队并未停下脚步。他们不仅成功实现了从二氧化碳到糖的精准全合成过程，还构建了人工生物系统。这一系统初步探索出了一种灵活、可扩展的糖制造模式。这种模式所合成的糖类物质可以作为食品、医药等领域的原料。此外，合成的葡萄糖等还可以作为工业生物制造的关键原材料，用于合成其他化学品，为负碳物质的合成提供原料支持。目前，功能糖团队正在持续优化这一模式，以期早日将这一成果推向产业化应用。他们深知科技改变世界的力量，期待着他们的努力能为人类社会的可持续发展贡献更多力量。在未来的日子里，他们将继续以创新为动力，探索更多可能性的同时不断追求卓越和突破。
- 提供健康糖源：可精准合成阿洛酮糖、塔格糖等稀少糖，其甜度与蔗糖相近，但热量低、升糖指数低，作为天然甜味剂，能满足消费者对健康饮食的需求，开发出更多低糖、低热量的食品。- 保障食品供应：不受自然条件限制，稳定供应糖原料，降低因自然灾害、土地资源短缺等造成的食品生产风险，确保食品行业稳定发展。- 创新药物研发：为新型药物研发提供特殊结构糖分子，如合成具有特定生理活性的寡糖、糖苷或糖醇等，用于开发治疗糖尿病、心血管疾病等的药物，提高药物疗效和安全性。- 生产药用辅料：按需合成高质量药用糖类辅料，如可精准控制纯度和结构的葡萄糖、乳糖等，保证药物稳定性、溶解性和生物利用度，推动医药产业发展。- 拓展生物基产品种类：作为关键原料，通过发酵和生物合成，合成氨基酸、有机酸、生物燃料、生物塑料等多种生物基产品，减少对传统化石资源的依赖，推动生物制造产业发展。- 提升生物制造效率：相比传统植物提取糖的方式，合成糖的生产过程更易控制和优化，可提高生物制造过程中糖原料的转化效率和产品得率，降低生产成本，增强生物制造产业竞争力。- 助力碳减排：大规模应用后，可大量消耗二氧化碳，将其转化为有价值的糖产品，减少温室气体排放，助力实现“双碳”目标，缓解全球气候变化问题。- 节约自然资源：降低制糖对土地、水等自然资源的依赖，实现资源的高效利用，保护生态环境，促进农业可持续发展，为解决全球粮食安全问题提供新思路。
尽管面临诸多挑战，但我对二氧化碳制糖技术的未来充满信心。随着技术的不断成熟和成本的逐步降低，它有望成为解决全球食品安全、减少碳排放、促进循环经济的重要途径之一。想象一下，未来有一天，我们不仅能享受到由二氧化碳转化而来的健康、环保的糖，还能在日常生活中，通过选择这样的产品，为地球的可持续发展贡献一份力量，那该是多么美好的事情！更重要的是，二氧化碳制糖技术的成功实践，将激励更多人去探索和创新，寻找更多将废弃物转化为资源的可能性。这不仅是一场科技的革命，更是一次人类思维方式的转变，让我们学会以更加开放和包容的心态，去面对这个充满无限可能的世界。毕业于新西兰林肯大学。对大众科普知识拥有浓厚兴趣，曾在多个科普期刊上发表过科普文章。关注事实，积极探索前沿科技。