白糖，不仅是厨房里的调味品，更是维系国计民生的重要战略物资。数百年来，它的生产高度依赖于甘蔗和甜菜的种植，受限于土地、水源和气候。然而，近日中国科学院天津工业生物技术研究所的一项突破性研究，正为这一传统格局带来了颠覆性的变革。首次构建了体外生物转化系统，成功将甲醇–一种可由二氧化碳高效合成的“液态阳光”–转化为我们熟悉的蔗糖，为极端情况下糖业安全、实现碳中和开辟了一条全新的技术路径。

（中间有技术解码繁文，后有结论，请读完全文）

一、“人工造糖”

糖业的背后，是一笔关乎国家粮食安全的经济账和资源账。我国作为食糖消费大国，年消耗量超过1500万吨，而国内产量难以满足需求，每年需进口超过500万吨，对外依存度较高。传统的制糖农业，不仅需要占用大量宝贵的耕地，与粮食作物形成竞争，还消耗着巨大的水资源。

人类是否能摆脱对自然种植的依赖，将糖的生产从“田间”转变到“车间”。

科学家将目光投向了甲醇。甲醇作为一种简单的C1化合物，其来源极为广泛，既可从煤炭、天然气等化石资源中获取，也能通过工业废气中的二氧化碳进行催化合成。特别是后者，由中国科学院大连化物所等团队发展的二氧化碳加氢制甲醇技术，被誉为制造“液态阳光”，它能将温室气体变废为宝。

如果能打通从甲醇到糖分子的生物转化路径，就意味着我们能够构建一条不依赖土地、不与人争粮的全新制糖模式，其战略意义不言而喻。

二、 科学解码从甲醇到蔗糖的“分子生产线”

以上图片源自中国科学院官方微信。

正如图所揭示的，这项研究的核心在于设计并搭建了一条前所未有的“分子生产线”。研究团队摒弃了传统的细胞发酵模式，转而采用体外生物转化系统。这一“无细胞”系统，如同一个精密的生物反应器，其中仅包含完成特定催化任务所必需的多种酶。

其巧妙之处在于：

• 全新的合成路径：

  研究人员没有模仿植物复杂的光合作用路径，而是设计了一条非天然的、更高效的蔗糖合成路线。从甲醇（C1）出发，通过一系列酶的催化接力，依次转化为甲醛、二羟基丙酮（DHA），再进一步合成为果糖-6-磷酸（F6P），最终与尿苷二磷酸葡萄糖（UDP-glucose）反应生成蔗糖（C12）。

• 热力学优势与高效率：

  这条人工设计的路径在能量消耗和反应步骤上具有显著优势（如上图所示）。通过对蔗糖合酶（Sucrose Synthase）等关键酶进行定向改造，其催化效率提升了3至71倍，突破了反应瓶颈。最终，系统实现了高达86%的甲醇到蔗糖的转化产率和5.7克/升/小时的合成速率，展示了其工业应用的巨大潜力。

• 过程可控性强：

  体外系统避免了细胞内复杂的代谢网络干扰，使得整个过程的优化和调控更为直接、简单，产物纯度也更高。

三、 开启“人工糖世界”的大门

这项研究的价值远不止于合成蔗糖。它所构建的体外生物转化平台，更像一把打开“人工糖世界”的钥匙。正如图2 中所示，该平台具有极强的可扩展性。

通过更换或添加不同的酶模块，研究人员已经成功利用这一系统，从甲醇等低碳原料出发，合成了更多种类的糖及衍生物，例如：

• 淀粉（Starch, Cn）：实现了无需引物即可从头合成淀粉，其合成速率优于此前报道的系统。
• 纤维寡糖（Cellooligosaccharides, Cn≥18）：高效合成了聚合度更高的纤维寡糖，这类物质在食品、保健品和饲料领域具有重要应用价值。
• 其他功能糖：如蔗糖的同分异构体海藻糖、功能性单糖等，未来均有可能通过平台进行定制化合成。

这意味着，科学家们不仅能“人造”白糖，还能根据需求“设计”和“制造”自然界中含量稀少但功效独特的高附加值糖分子，为功能食品、生物医药和新材料领域带来无限可能。

四、 从“碳”到“糖”面临的挑战

从二氧化碳到甲醇，再从甲醇到蔗糖及更多糖类，科学家描绘出一条将温室气体直接转化为食物的完整技术蓝图。当然，从实验室的克级合成走向工业化的万吨级生产，需在持续的优化和攻关。

以云糖网小编浅薄的认知，从实验室走向工业应用和市场普及仍面临以下诸多挑战：

1、规模化生产的瓶颈

实验室条件下已实现14g/L的产物浓度，但工业化生产面临更严峻的挑战：

• 体外酶系统在大规模反应器中的稳定性问题；

• 长时间连续运行过程中酶活性的衰减；

• 大型反应设备中的温度、pH值等条件均一性控制；

2、经济性与成本控制

• 酶的制备和纯化成本较高，特别是需要工程化改造的特殊酶；

• 甲醇原料成本与传统种植甘蔗、甜菜的经济性对比；

• 初期设备投入大，投资回收周期长，能源消耗（尤其是从CO₂到甲醇的转化过程）成本高；

3、系统集成与优化难题

• 将CO₂捕获、甲醇合成和糖转化三个过程无缝衔接的难度；

• 多酶系统中各组分之间的相互影响和干扰；

• 反应中间产物的积累可能导致的抑制效应；

• 辅因子(如ATP)的再生与循环利用效率；

4、社会接受度与监管壁垒

• 消费者对”人工合成糖”的心理接受度；

• 食品安全监管机构对新型制糖技术的审批流程；

• 市场教育和消费者认知转变的时间成本；

• 与传统甘蔗种植、制糖产业可能存在冲突；

纵然，诸多的问题短时间不会改变现有格局，但是，毫无疑问，这项从“碳”到“糖”的突破，已经让我们看到了一个由生物科技驱动，更加绿色、高效和自主的未来。它预示着，人类获取基础物资的方式正在被重塑。

或许，一个全新的“人工糖世界”已然开启。

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