开发人工“二氧化碳-糖”平台对于解决土地短缺和气候变化给膳食糖供应带来的挑战具有重要意义。然而，将二氧化碳升级为复杂的多氧碳水化合物涉及几个主要挑战，包括实现对映选择性和热力学驱动的转化，以及在减少能量消耗的同时扩大产品库。
2023年8月16日，中国科学院天津工业生物技术研究所马延和及孙媛霞共同通讯（杨建刚为第一作者）在Science Bulletin 在线发表题为“De novo artificial synthesis of hexoses from carbon dioxide”的研究论文，该研究提出了一个多功能的化学酶路线图，基于醛醇缩合，异/外映异构和不对称CO2和H2组装成糖的去磷酸化反应，具有完美的立体控制。
该研究开发了一种最低ATP消耗和自下而上生物合成基本前体果糖-6-磷酸的最短途径，这对于合成结构多样的糖和衍生物很有价值。工程瓶颈相关的酶催化剂有助于热力学驱动的几种能量密集和功能性己糖的合成，如葡萄糖和阿洛酮糖，与已建立的体外二氧化碳固定途径相比，具有更高的滴度(63 mmol L-1 )和二氧化碳产物转化率(25 mmol L-1 C h-1)。与传统的“二氧化碳-生物资源-糖”工艺相比，该化学-生物平台显示出更高的碳转化率，并且可以很容易地扩展到从二氧化碳中精确合成其他高阶糖。
将无机二氧化碳升级为燃料、散装和精细化学品是解决气候危机和全球资源短缺以及实现全球碳中和的一种有希望的方法。碳水化合物是地球上最丰富的一类生物分子，是人体的能量储存和供应载体，是人类健康的关键生物活性物质，也是工业生物制造的主要碳资源。目前，制造碳水化合物的主要途径是植物生物质的提取和转化。然而，这种传统的“CO2-生物资源-糖”过程受到光合作用能量转换效率的限制。
值得注意的是，由于土地退化和稀缺、生态系统退化、极端天气和全球变暖导致的自然灾害，它面临着供应风险。解决这些问题需要从目前的制糖过程转向生物资源独立的模式。从二氧化碳中人工合成碳水化合物是一种很有前途的方法，可以减轻相当大的环境影响，减少发展中国家的水和粮食短缺，甚至可以缓解温室气体排放造成的气候变化。
碳水化合物通常具有丰富的不对称碳中心和羟基。立体化学糖具有多种已知的生理功能，如低热量、益生元效应、抗肿瘤、抗炎作用等。此外，结构多样的碳水化合物与脂质和蛋白质结合有助于生成功能多样的化合物，用于食品和制药工业。最近，研究人员发表了一份由二氧化碳合成几种C6和C5糖的非生物路线图。然而，这一过程似乎对产生的手性中心失去控制，导致混合的产物。还需要一个复杂的分离过程来获得立体特异性糖。
虽然采用化学酶法将CO2转化为L-赤藓糖，但这种方法仅限于单一产物的合成。利用基因工程细胞微生物合成葡萄糖也被提出以CO2或电化学生成的CH3COOH作为碳资源。然而，由于细胞代谢和糖合成需要复杂的代谢调节，导致CO2-糖转化率较低。此前，作者提出了一种令人信服的化学-生化嵌合途径，用于从二氧化碳合成淀粉。总的来说，将二氧化碳转化为立体的和结构多样的糖仍然面临着几个挑战，包括在二氧化碳转化过程中建立一个对映选择中心的问题，实现热力学驱动的转化以获得高的CO2转化率，降低能量消耗和缩短反应步骤，以及提供一种扩展产物库的通用方法。
人工CO2到糖途径(ACSP)的设计（图源自Science Bulletin ）
该研究创建了一个人工CO2到糖的途径 (ACSP)，以促进CO2的碳原子对映选择性转化为特定的糖立体异构体。ACSP的路线图可以分为四个步骤：(i)无手性控制的CO2热化学还原为单碳甲醇；(ii)串联酶促醛醇缩合C1单元，以在磷酸化糖中建立特定的立体化学构型，如果糖-6-磷酸(F6P)与(3S,4R)；(iii)酶异/外映体化，将磷酸化糖前体的手性中心改变为确定的对映体，如具有(3R,4R)的6-磷酸异丙糖(A6P)；(vi)最终，将生成的中间“糖-磷酸”去磷酸化为立体糖。不可逆的去磷酸化步骤可以从热力学上推动整个反应向最终产物发展。
在ACSP中合成F6P的演示（图源自Science Bulletin ）
因此，该研究初步证明了自下而上生物合成基本前体F6P的线性、最低ATP消耗和最短途径的成功操作，F6P已被确定为合成结构多样的单、寡糖和多糖及其衍生物的关键前体。此外，通过将F6P合成途径与化学CO2还原、酶异构化和去磷酸化反应相结合，该研究展示了一种化学酶途径，可以在热力学驱动下将非手性CO2分子转化为复杂的手性多氧碳框架。
文章模式图（图源自Science Bulletin ）
通过酶数据库挖掘和结构导向工程，在高CO2-糖转化率和高度控制产物立体化学的条件下，实现了两种醛糖(D-葡萄糖和D-甘露糖)和两种酮糖(D-阿洛酮糖和D-塔格糖)的己糖精确合成。这种新颖的“CO2-糖”平台克服了传统“CO2-生物资源-糖”工艺的低碳转化效率，为从CO2合成其他结构多样的糖和衍生物提供了一种有前途的手段。
文章来源“iNture”
