科学者は二酸化炭素を通じてあなたの幸福を「カスタマイズ」できる

この記事は「ファットハウス ハッピーウォーター」に関するものだと思いますか？

あまり。

本日お伝えしたいのは、「二酸化炭素が砂糖に変わる」というお話で、多くの人が夢見る「健康的な砂糖」に変わるというお話です。

砂糖を食べるのは楽しいが、砂糖を手に入れるまでの過程は

砂糖は自然界で最も一般的で最も複雑な化合物であり、炭水化物としても知られています。それは人間の食料と動物の生存にとって重要な物質の一つです。人体に必要なエネルギーの約70%は糖分によって供給されます。 「お菓子は人を幸せにする」というのは、お菓子に含まれる砂糖が私たちに甘く、心地よく、明るい気分を与えてくれるからです。

（写真提供：veerフォトギャラリー）

しかし、古代から現代に至るまで、砂糖を得る過程は砂糖を食べることほど幸せなものではありません。地球上の緑の植物は光合成によって二酸化炭素を固定し、トウモロコシ、小麦、サトウキビ、果物などの作物にデンプンやショ糖などの炭水化物を蓄えます。砂糖を得るには、物理​​的、化学的、生物学的手段を用い、複雑な製糖プロセスを経る必要があります。

歴史の記録によると、中国は約4000年前に、穀物やジャガイモのでんぷんから作られる甘い食べ物「麦芽糖」の製造技術を習得し、「易」と呼ばれていました。例えば、『詩経・大耶』には「周原の藤真、スミレは易の如し」という一節があり、西周時代にすでに麦芽糖が存在していたことが分かります。唐の時代には、サトウキビ製造技術において画期的な進歩が遂げられました。グラニュー糖が登場し、王室への貢物から庶民へと広まっていきました。 18 世紀頃、ドイツの科学者マルグラフがテンサイからショ糖を抽出することに成功し、砂糖の消費が本格的に普及しました。

今日、人類は構造や機能が異なる多種多様な糖を生産できるようになり、お菓子、飲料、料理、医薬品、工業製造など、生活のさまざまな分野で使用されています。世界の砂糖の年間生産量と消費量は1億トンを超え、人々の生活に欠かせない食品原料やエネルギー源となっています。

しかし、この伝統的な「二酸化炭素 - バイオマス資源 - 砂糖」という砂糖製造方法は、いくつかの課題に直面しています。

製糖工場とサトウキビ（写真提供：Veer Gallery）

まず、人口の増加に伴い砂糖の需要も増加しています。植物の光合成によるエネルギー変換効率の限界により、糖成分を得るために作物を原料として頼る方法は、将来的には需要を満たせなくなる可能性があります。

第二に、地球温暖化による土地の劣化や不足、生態系の劣化、異常気象や自然災害などにより、砂糖バイオマス資源に依存する生産方法は、原材料供給の安全性やリスクなどの問題に直面しています。

第三に、長期にわたる自然進化の過程で、作物の糖組成は比較的固定化しており、重要な生理機能を持つ可能性のある希少または天然に存在しない単糖成分を入手することは困難です。

ちょっと待って、「希少糖」って何ですか？特別な機能は何ですか?

希少で健康的な砂糖

糖類の分類には、単糖類、二糖類、多糖類があります。単糖類は炭水化物の最も基本的な構成要素です。炭素原子の数によって、トリオース（炭素原子3個）、テトロース（炭素原子4個）、ペントース（炭素原子5個）、ヘキソース（炭素原子6個）などに分類されます。その中でもヘキソースは自然界で最も豊富な単糖類であり、体の栄養代謝に最も深く関係しています。

グルコースの分子式（画像出典：veer gallery）

グルコースとフルクトースは自然界で最も豊富な六炭糖です。人が饅頭などの食べ物を食べると、最終的にはブドウ糖の形で人体の血液に入り、人体のさまざまな器官に運ばれてエネルギーを生成したり、人体に必要なタンパク質や脂肪などに変換されたりします。そのため、グルコースは生命構造やエネルギー貯蔵にとって重要な物質であると考えられています。フルクトースは「最も甘い」単糖類として知られており、蜂蜜に広く含まれています。

自然界では、グルコースやフルクトースなど、豊富に存在する少数の糖を除いて、ほとんどのヘキソースは自然界では稀です。 2002年に、このタイプの砂糖は国際希少糖協会によって希少糖として定義されました。希少糖とは、主に自然界に稀少な単糖類の一種を指します。

希少糖の天然含有量のデモンストレーションチャート（出典：国際希少糖協会 ISRS）

中でもアルロースは、ショ糖に似た味（ショ糖の70%の甘さ）を持ち、カロリーが低く（0.4Kcal/g）、グリセミック指数（GI）がほぼゼロである重要な希少糖です。研究によると、アルロースは血糖値の上昇を抑制し、肥満を予防することができ、糖尿病や肥満の人にとって砂糖の代替品となる可能性があるとされています。 （出典：ネイチャーコミュニケーション、2018年9月113日）

希少糖は甘味料として、人々の甘味への欲求を満たすだけでなく、身体に有益な生理作用も発揮します。各国で砂糖削減や砂糖税政策が実施されており、希少糖の需要は今後も増加することが予想されます。

しかし、問題は再び発生します。自然界では「健康に良い砂糖」の原料は乏しく、伝統的な製造方法だけでは需要を満たすことは絶対にできません。

このとき、「二酸化炭素がデンプンに変わる」ということを思い浮かべますか？デンプンはブドウ糖からできています。二酸化炭素はデンプンに変換できるので、他の構造を持つ6炭素糖に変換できますか？

糖の「カスタマイズされた」合成：「数年」から「数時間」への飛躍

最近、中国科学院天津工業バイオテクノロジー研究所（以下、「天津工業バイオテクノロジー研究所」）は、二酸化炭素を人工的に変換して糖をゼロから正確に合成する技術を開発し、二酸化炭素からさまざまな六炭糖を「カスタマイズ」合成することを実現し、柔軟性、効率性、汎用性を備えた人工生物システムを構築し、自然の合成経路から脱却し、二酸化炭素を使用して多様な「糖の世界」を創造する可能性を提供しました。

二酸化炭素を人工的にヘキソースに変換する技術的な方法（画像提供：中国科学院天津工業バイオテクノロジー研究所）

2021年、天津工業生物学研究所は二酸化炭素からデンプンの人工合成を達成し、自然に頼らない人工合成経路の実現可能性を証明し、研究所の二酸化炭素ベースの糖合成研究の技術的基礎を築きました（レビューはこちらをクリック）。

天津工業生物学研究所は、デンプン分野の成果を基に、中国科学院大連化学物理研究所の研究チームと協力し、炭素凝縮、異性化、脱リン酸化などの酵素反応に基づく化学酵素結合非天然変換経路を設計・構築し、酵素タンパク質分子の触媒特性を操作して、アルロースなどの希少糖を含む構造と機能の異なる六炭糖の合成の精密制御を実現しました。

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抽出する従来の方法と比較すると、砂糖を得るのに必要な時間は「数年」から「数時間」に飛躍的に伸びました。

糖の合成効率は1リットルあたり1時間あたり0.67グラムで、既知の研究結果の10倍以上でした。グルコースの炭素固定合成効率は、毎分触媒1ミリグラムあたり59.8ナノモルの炭素に達し、これは国内外で知られている人工糖生産の最高レベルです。同時に、糖製品の種類や構成をさらに拡張できる生物学的システムが確立され、糖分子の多様性を人工的に作り出すことが可能になりました。

この研究成果は二酸化炭素からデンプンを合成する上で大きな進歩であり、複雑な糖分子を調製するために糖バイオマス資源の変換に依存するというパラダイムを覆すものである。自然界では希少な機能性糖分子を得ることができる柔軟かつスケーラブルな砂糖製造モデルを提供し、応用範囲を拡大します。得られた糖は食品、医薬品などの原料として利用することができます。また、他の化学物質を合成するための産業バイオ製造における主要原料としても使用でき、人類のその他の物質的ニーズをさらに満たします。この研究は、二酸化炭素の変換と利用に関する新たな解決策も提供します。二酸化炭素をデンプン、砂糖、その他の生活必需品に変換することで、二酸化炭素の排出量を削減します。

二酸化炭素を人工的に変換してヘキソース溶液サンプルを合成する（画像提供：中国科学院天津工業バイオテクノロジー研究所）

国際的に著名な有機化学者であり、生体触媒分野の専門家であり、ドイツ科学アカデミー会員でもあるマンフレッド・T・リーツ氏は、二酸化炭素を炭水化物に変換することは特に興味深いアイデアであると同時に非常に難しいことだとコメントした。この結果は、この競争の激しい研究分野における真のブレークスルーであり、柔軟で多用途かつ効率的な糖合成経路を提供します。

現在、私たちはヘキソースの人工精密合成の技術的ルートにおいて画期的な進歩を達成しましたが、工業生産にはまだ長い道のりが残っています。科学技術の進歩により、関連する科学技術や工学技術の問題が解決できると信じています。砂糖を「カスタマイズ」して人々に幸せをもたらすだけでなく、低炭素の明日も「カスタマイズ」することができます。

著者: 楊建港、孫元霞

著者所属：中国科学院天津工業バイオテクノロジー研究所

この記事は「サイエンスアカデミー」の公開アカウントからのものです。転載の際は公開アカウントの出典を明記してください。