Ein wichtiger Schritt zur Umwandlung von Kohlendioxid in Zucker! Wie haben chinesische Wissenschaftler das geschafft?

Im September 2021 gelang dem Tianjin Institute of Industrial Biotechnology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften die erste künstliche Totalsynthese von Stärke aus Kohlendioxid im Labor. In weniger als zwei Jahren, am 16. August 2023, gelang dem Labor des Tianjin Institute of Industrial Biology die präzise Totalsynthese von Kohlendioxid zu Zucker und damit ein wichtiger Schritt in Richtung der künstlichen Zuckersynthese . Dieses neueste Forschungsergebnis wurde in der renommierten Fachzeitschrift Science Bulletin veröffentlicht.

Die Synthese von Zucker aus Kohlendioxid dauert nur 17 Stunden

Zucker ist eine wichtige Substanz im menschlichen Leben und Alltag und außerdem ein wichtiger Rohstoff für die heutige industrielle Bioproduktion. Bisher hat sich der Mensch bei der Zuckergewinnung hauptsächlich auf pflanzliche Biomasseressourcen verlassen, doch eine effiziente und präzise künstliche Zuckerproduktion ist nicht einfach.

Es wird davon ausgegangen, dass das Tianjin Institute of Industrial Biotechnology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und das Dalian Institute of Chemical Physics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen dieser Forschung zur „künstlichen Zuckerproduktion“ gemeinsam einen nicht-natürlichen Transformationspfad auf der Grundlage enzymatischer Reaktionen wie Kohlenstoffkondensation, Isomerisierung und Dephosphorylierung entworfen und konstruiert haben – ein künstliches Biosynthesesystem der „ chemisch-enzymatischen Kopplung “. Zudem haben sie die katalytischen Eigenschaften von Enzymproteinmolekülen so verändert, dass eine präzise Kontrolle der Synthese von Hexosen mit unterschiedlichen Strukturen und Funktionen erreicht wird.

▲Entwurf eines künstlichen Hexosesynthesewegs (Quelle: Forschungsgruppe für funktionelle Zucker und natürliche Wirkstoffe, Tianjin Institute of Industrial Biotechnology, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Konkret mischten die Forscher hochkonzentriertes CO₂ und andere Rohstoffe in einem bestimmten Verhältnis in die Reaktionslösung und erhielten unter der Einwirkung chemischer und enzymatischer Katalysatoren schließlich vier Hexosen: Glucose, Allulose, Tagatose und Mannose. Die Reaktionszeit des gesamten Experiments betrug etwa 17 Stunden . Im Vergleich zur traditionellen Methode der Zuckergewinnung durch den Anbau von Nutzpflanzen wie Zuckerrohr hat sich der Zeitrahmen von „Jahren“ auf „Stunden“ verkürzen können. Darüber hinaus hat sich die Effizienz der Zuckersynthese im Vergleich zu bekannten Ergebnissen um mehr als das Zehnfache erhöht und liegt nun bei 0,67 Gramm pro Liter pro Stunde . Die Effizienz der Kohlenstofffixierungssynthese von Glucose hat 59,8 Nanomol Kohlenstoff pro Milligramm Katalysator pro Minute erreicht.

Im Vergleich zur natürlichen Photosynthese ist die Zuckersynthese dieses künstlichen Biosynthesesystems mit „chemisch-enzymatischer Kopplung“ effizienter und präziser und die Syntheseschritte sind einfacher. Es kann die Synthese von Hexosen mit unterschiedlichen Strukturen und Funktionen präzise steuern. Noch wichtiger ist, dass die Kohlenstoffumwandlungsrate dieses künstlichen Biosynthesesystems mit „chemisch-enzymatischer Kopplung“ höher ist als die der natürlichen Pflanzenphotosynthese und auch höher als bei herkömmlichen chemischen Zuckerproduktionsmethoden und Methoden zur künstlichen Zuckerproduktion mit elektrochemisch-biologischer Kopplung. Dies ist die höchste Kohlenstoffumwandlungseffizienz im aktuellen Verfahren zur Herstellung von künstlichem Zucker .

▲Eine Probe einer künstlichen Hexoselösung, fotografiert im Labor des Tianjin Institute of Industrial Biotechnology, Chinesische Akademie der Wissenschaften. (Quelle: Nachrichtenagentur Xinhua)

Künstlicher Zucker öffnet die Tür zur grünen Chemie

„Dieses wissenschaftliche Forschungsergebnis entspricht der Konstruktion eines Syntheseweges, den es in der Natur nicht gibt . Er ist weder auf Land noch auf Bepflanzung angewiesen. Der Syntheseweg ist kürzer, die Syntheseeffizienz höher und der Energiebedarf geringer. Außerdem kann die Produktkonfiguration präzise gesteuert, die Selektivität des Produkts verbessert und die nachfolgenden Trennungskosten gesenkt werden.“ sagte Yang Jiangang, assoziierter Forscher am Tianjin Institute of Industrial Biotechnology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften.

▲ Im Labor des Tianjin Institute of Industrial Biotechnology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften führt der assoziierte Forscher Yang Jiangang ein Experiment zur künstlichen Synthese von Hexose durch. (Quelle: Nachrichtenagentur Xinhua)

Im Allgemeinen wurde in dieser Studie eine Methode zur Synthese von Hexosen aus Kohlenstoff-1-Verbindungen wie CO₂, Methanol und Formaldehyd entwickelt. Dadurch wurde eine künstliche Synthese von Hexosen mit hoher Umwandlungseffizienz und präzise steuerbarer Konfiguration erreicht, die die Möglichkeit zur Umwandlung von Nicht-Biomasse-Rohstoffen in verschiedene künstliche Zuckerprodukte bietet.

In Zukunft planen die Forscher, dieses Synthesesystem der „chemisch-enzymatischen Kopplung“ weiter auszubauen, um Zuckermoleküle herzustellen, die in der Natur selten oder gar nicht vorkommen, wie etwa Oligosaccharide, Glykoside oder Zuckeralkohole, und diese als Rohstoffe in der Lebensmittel-, Medizin-, Bioproduktion und anderen Bereichen zu verwenden.

Manfred Reitz, Mitglied der Deutschen Akademie der Wissenschaften, kommentierte das Papier und meinte, dass die Umwandlung von Kohlendioxid in Zucker eine besonders anspruchsvolle Aufgabe sei. Diese Errungenschaft bietet einen flexiblen, vielseitigen und effizienten Weg zur Zuckersynthese und öffnet die Tür zur grünen Chemie .

Zusammengestellt von Reporter Duan Dawei

Quelle: Beijing Science and Technology News