二酸化炭素を糖に変える重要なステップです!中国の科学者はどうやってこれを達成したのでしょうか?

2021年9月、中国科学院天津工業バイオテクノロジー研究所は、実験室で二酸化炭素からデンプンの人工全合成に初めて成功しました。それから2年も経たない2023年8月16日、天津工業生物学研究所の研究室は二酸化炭素から糖までの精密な全合成を達成し、糖の人工合成に向けた重要な一歩を踏み出した。この最新の研究結果は、有名な学術誌「サイエンス・ブレティン」に掲載されました。

二酸化炭素から糖を合成するにはたった17時間しかかからない

砂糖は人間の生活活動や日常生活において重要な物質であり、今日の産業バイオ製造の重要な原料でもあります。これまで人類は主に植物バイオマス資源に頼って砂糖を得てきましたが、効率的かつ正確な人工砂糖生産を実現するのは容易ではありません。

この「人工糖生産」の研究では、中国科学院天津工業バイオテクノロジー研究所と中国科学院大連化学物理研究所が共同で、炭素凝縮、異性化、脱リン酸化などの酵素反応に基づく非自然的変換経路、つまり「化学酵素カップリング」の人工生合成システムを設計・構築し、酵素タンパク質分子の触媒特性を操作して、異なる構造と機能を持つ六炭糖の合成の正確な制御を実現したと理解されている。

▲人工ヘキソース合成経路の設計（出典：中国科学院天津工業バイオテクノロジー研究所機能性糖および天然活性物質研究グループ）

具体的には、研究者らは高濃度CO₂と他の原料を一定の割合で反応溶液に混合し、化学触媒と酵素触媒の作用により、最終的にグルコース、アルロース、タガトース、マンノースの4つのヘキソースを得た。実験全体の反応時間は約17時間でした。サトウキビなどの作物を植えて砂糖を得るという従来の方法と比較すると、時間スケールで言えば「数年」から「数時間」への飛躍を達成しました。さらに、糖の合成効率は既知の結果と比較して10倍以上増加し、 1リットルあたり1時間あたり0.67グラムに達し、グルコースの炭素固定合成効率は1分あたり触媒1ミリグラムあたり59.8ナノモルの炭素に達しました。

自然の光合成と比較すると、この「化学酵素結合」人工生合成システムによる糖合成はより効率的かつ正確であり、合成手順もより単純です。異なる構造や機能を持つヘキソースの合成を正確に制御できます。さらに重要なのは、この「化学-酵素結合」人工生合成システムの炭素変換率は天然植物の光合成よりも高く、伝統的な化学糖生産法や電気化学-生物結合人工糖生産法よりも高いことです。これは、現在の人工砂糖製造ルートにおける最高レベルの炭素変換効率です。

▲中国科学院天津工業バイオテクノロジー研究所の研究室で撮影された人工ヘキソース溶液のサンプル。 （出典：新華社通信）

人工砂糖がグリーンケミストリーへの扉を開く

「この科学研究の成果は、自然界に存在しない合成経路を構築することに相当する。土地や植栽に頼らない。合成経路が短く、合成効率が高く、必要なエネルギーも少ない。また、生成物の構成を正確に制御し、生成物の選択性を向上させ、その後の分離コストを削減することもできる。」中国科学院天津工業バイオテクノロジー研究所の准研究員、ヤン・ジャンガン氏はこう語った。

▲中国科学院天津工業バイオテクノロジー研究所の研究室では、楊江剛准研究員がヘキソースの人工合成実験を行っている。 （出典：新華社通信）

本研究では、CO₂、メタノール、ホルムアルデヒドなどの炭素1化合物から六炭糖を合成する方法を確立し、高い変換効率と精密に制御可能な構成を持つ六炭糖の人工合成を実現し、非バイオマス原料を多様な人工糖製品に変換する可能性を提供する。

研究者らは今後、この「化学酵素カップリング」合成システムをさらに拡張し、オリゴ糖、配糖体、糖アルコールなど、自然界では稀少あるいは存在しない糖分子を生産し、食品、医薬品、バイオ製​​造などの分野で原料として利用することを計画している。

ドイツ科学アカデミー会員のマンフレート・ライツ氏はこの論文についてコメントし、二酸化炭素を糖に変換するのは特に困難な作業であると考えている。この成果は、柔軟で多用途かつ効率的な糖合成経路を提供し、グリーンケミストリーへの扉を開くものです。

記者ドゥアン・ダウェイがまとめた

出典：北京科学技術ニュース