Durch Kohlendioxid können Wissenschaftler Ihr Glück „maßschneidern“

Glauben Sie, dass es in diesem Artikel um „Fat House Happy Water“ geht?

Nicht wirklich.

Was ich Ihnen heute erzählen möchte, ist eine Geschichte darüber, wie sich „Kohlendioxid in Zucker verwandelt“, und zwar in den „gesunden Zucker“, von dem viele Menschen träumen.

Zucker essen macht Spaß, aber der Prozess der Zuckeraufnahme ist vielleicht nicht

Zucker ist die häufigste und komplexeste Verbindung in der Natur und wird auch als Kohlenhydrat bezeichnet. Es ist eine der wichtigsten Substanzen für die menschliche Ernährung und das Überleben der Tiere. Etwa 70 % der vom menschlichen Körper benötigten Energie wird durch Zucker bereitgestellt. „Süßigkeiten machen glücklich“, vor allem, weil der darin enthaltene Zucker uns ein süßes, angenehmes und fröhliches Gefühl vermittelt.

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Von der Antike bis heute ist die Gewinnung von Zucker jedoch nicht so erfreulich wie der Verzehr von Zucker. Grüne Pflanzen auf der Erde binden Kohlendioxid durch Photosynthese und speichern Kohlenhydrate wie Stärke und Saccharose in Nutzpflanzen wie Mais, Weizen, Zuckerrohr und Früchten. Um Zucker zu gewinnen, müssen die Menschen physikalische, chemische und biologische Mittel einsetzen und einen komplexen Zuckerherstellungsprozess durchlaufen.

Historischen Aufzeichnungen zufolge entwickelte China vor etwa 4.000 Jahren die Technologie zur Herstellung von Maltose, einem süßen Nahrungsmittel aus der Stärke von Getreide und Kartoffeln, genannt „Yi“. So gibt es beispielsweise im „Buch der Lieder·Daya“ eine Zeile, die lautet: „Die Tengzhen in Zhouyuan, die Veilchen sind wie Yi“, was zeigt, dass Maltose bereits in der Westlichen Zhou-Dynastie existierte. Während der Tang-Dynastie wurden bahnbrechende Fortschritte in der Technologie der Zuckerrohrherstellung erzielt. Kristallzucker kam auf und verbreitete sich vom Tribut an die königliche Familie bis hin zum einfachen Volk. Etwa im 18. Jahrhundert gelang es dem deutschen Wissenschaftler Margraf, Saccharose aus Zuckerrüben zu extrahieren, was den Zuckerkonsum wirklich populär machte.

Heute ist man in der Lage, eine große Vielfalt an Zuckern mit unterschiedlichen Strukturen und Funktionen herzustellen, die in zahlreichen Lebensbereichen Verwendung finden, darunter Süßigkeiten, Getränke, Kochen, Medizin, industrielle Fertigung usw. Die jährliche Produktion und der Verbrauch von Zucker weltweit liegen bei über 100 Millionen Tonnen und Zucker ist zu einem unverzichtbaren Nahrungsmittelrohstoff und einer Energiequelle im Leben der Menschen geworden.

Allerdings ist diese traditionelle Methode der Zuckerherstellung nach dem Prinzip „Kohlendioxid – Biomasseressourcen – Zucker“ mit einigen Herausforderungen verbunden.

Zuckerfabrik und Zuckerrohr (Fotoquelle: Veer Gallery)

Erstens steigt aufgrund der wachsenden Bevölkerung der Bedarf an Zucker. Da die Effizienz der Energieumwandlung durch die Photosynthese der Pflanzen begrenzt ist, kann die Methode, bei der Zuckerkomponenten aus Nutzpflanzen als Rohstoff gewonnen werden, den Bedarf in Zukunft möglicherweise nicht decken.

Zweitens sind Produktionsmethoden, die auf Zuckerbiomasseressourcen basieren, angesichts der durch die globale Erwärmung verursachten Bodenerosion und -knappheit, der Verschlechterung der Ökosysteme, extremen Wetterbedingungen und Naturkatastrophen mit Problemen wie der Sicherheit und den Risiken der Rohstoffversorgung konfrontiert.

Drittens ist die Zuckerzusammensetzung von Nutzpflanzen im Laufe der natürlichen Evolution relativ festgelegt worden, und es ist schwierig, einige seltene oder in der Natur nicht vorhandene Monosaccharidkomponenten zu erhalten , die möglicherweise wichtige physiologische Funktionen haben.

Moment, was ist dieser „seltene Zucker“? Was sind die Besonderheiten?

Ein seltener und gesunder Zucker

Die Klassifizierung von Zuckern umfasst Monosaccharide, Disaccharide und Polysaccharide. Monosaccharide sind die grundlegendsten Bausteine ​​der Kohlenhydrate. Nach der Anzahl der Kohlenstoffatome werden sie in Triosen (3 Kohlenstoffatome), Tetrosen (4 Kohlenstoffatome), Pentosen (5 Kohlenstoffatome), Hexosen (6 Kohlenstoffatome) usw. unterteilt. Unter ihnen sind Hexosen die in der Natur am häufigsten vorkommenden Monosaccharide und stehen am engsten mit dem Nährstoffstoffwechsel des Körpers in Verbindung .

Molekularformel von Glucose (Bildquelle: Veer Gallery)

Glucose und Fructose sind die in der Natur am häufigsten vorkommenden Hexosen. Nachdem Menschen Nahrungsmittel wie gedämpfte Brötchen gegessen haben, gelangen diese schließlich in Form von Glukose in das menschliche Blut und werden zu verschiedenen Organen des menschlichen Körpers transportiert, um Energie zu produzieren oder in Proteine, Fette usw. umgewandelt zu werden, die der menschliche Körper benötigt. Daher gilt Glukose als wichtige Substanz für den Lebensaufbau und die Energiespeicherung. Fruktose gilt als das „süßeste“ Monosaccharid und ist häufig in Honig enthalten.

In der Natur kommen die meisten Hexosen selten vor, mit Ausnahme einiger Zuckerarten wie Glucose und Fructose, die reichlich vorhanden sind. Im Jahr 2002 wurde diese Zuckerart von der International Rare Sugar Society als seltener Zucker definiert. Bei den sogenannten seltenen Zuckern handelt es sich hauptsächlich um eine Art von Monosacchariden, die in der Natur selten vorkommen.

Demonstrationsdiagramm des natürlichen Gehalts an seltenen Zuckern (Quelle: International Rare Sugars Society ISRS)

Unter ihnen ist Allulose ein wichtiger seltener Zucker, der ähnlich wie Saccharose schmeckt (70 % der Süße von Saccharose), wenig Kalorien hat (0,4 kcal/g) und einen glykämischen Index (GI) von fast null . Studien haben gezeigt, dass Allulose den Anstieg des Blutzuckerspiegels hemmen und Fettleibigkeit vorbeugen kann und als Zuckerersatz für Menschen mit Diabetes und Fettleibigkeit dienen könnte. (Quelle: Nature Communication, 2018, 9, 113)

Als Süßungsmittel kann seltener Zucker nicht nur das Verlangen der Menschen nach Süßem stillen, sondern weist auch physiologische Wirkungen auf, die sich positiv auf den Körper auswirken. Mit der Umsetzung von Maßnahmen zur Zuckerreduzierung und Zuckersteuer in verschiedenen Ländern wird die Nachfrage nach seltenem Zucker voraussichtlich weiter steigen.

Aber das Problem tritt erneut auf. In der Natur sind die Rohstoffe für „gesunden Zucker“ knapp und traditionelle Herstellungsverfahren allein werden den Bedarf sicherlich nicht decken können.

Denken Sie in diesem Moment an „Kohlendioxid wird zu Stärke“? Stärke besteht aus Glukose. Da Kohlendioxid in Stärke umgewandelt werden kann, kann es auch in 6-Kohlenstoff-Zucker mit anderen Strukturen umgewandelt werden?

„Maßgeschneiderte“ Zuckersynthese: ein Sprung von „Jahren“ zu „Stunden“

Kürzlich hat das Tianjin Institute of Industrial Biotechnology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (kurz „Tianjin Institute of Industrial Biotechnology“) eine Technologie zur künstlichen Umwandlung von Kohlendioxid entwickelt, um Zucker von Grund auf präzise zu synthetisieren. Dadurch ist die „maßgeschneiderte“ Synthese einer Vielzahl von Hexosen aus Kohlendioxid möglich und ein künstliches biologisches System mit Flexibilität, Effizienz und Vielseitigkeit aufgebaut, das die Möglichkeit bietet, vom natürlichen Syntheseweg abzuweichen und Kohlendioxid zur Schaffung einer vielfältigen „Zuckerwelt“ zu verwenden.

Der technische Weg zur künstlichen Umwandlung von Kohlendioxid in Hexose (Bildquelle: Tianjin Institute of Industrial Biotechnology, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Im Jahr 2021 gelang dem Tianjin Industrial Biology Laboratory die künstliche Synthese von Stärke aus Kohlendioxid. Damit wurde die Machbarkeit künstlicher Synthesewege, die nicht auf der Natur beruhen, bewiesen und eine technische Grundlage für die Forschung des Instituts zur kohlendioxidbasierten Zuckersynthese gelegt (klicken Sie hier, um eine Übersicht zu erhalten).

Aufbauend auf den Erfolgen im Bereich Stärke hat das Tianjin Institute of Industrial Biology mit dem Forschungsteam des Dalian Institute of Chemical Physics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften zusammengearbeitet, um chemisch-enzymatisch gekoppelte nicht-natürliche Transformationswege auf der Grundlage enzymatischer Reaktionen wie Kohlenstoffkondensation, Isomerisierung und Dephosphorylierung zu entwerfen und zu konstruieren. Außerdem wurden die katalytischen Eigenschaften von Enzymproteinmolekülen so verändert, dass eine präzise Kontrolle der Synthese von Hexosen mit unterschiedlichen Strukturen und Funktionen, einschließlich seltener Zucker wie Allulose , erreicht wird.

Die Reaktionszeit für das gesamte Experiment betrug ungefähr 17 Stunden. Im Vergleich zur traditionellen Methode der Zuckergewinnung durch den Anbau von Nutzpflanzen wie Zuckerrohr hat sich die zur Zuckergewinnung benötigte Zeit von „Jahren“ auf „Stunden“ verkürzt.

Die Effizienz der Zuckersynthese betrug 0,67 Gramm pro Liter pro Stunde und war damit mehr als zehnmal höher als in der bisherigen Forschung. Die Effizienz der Kohlenstofffixierungssynthese von Glucose erreicht 59,8 Nanomol Kohlenstoff pro Milligramm Katalysator pro Minute, was den höchsten im In- und Ausland bekannten Wert der künstlichen Zuckerproduktion darstellt. Gleichzeitig wurde ein biologisches System etabliert, das die Arten und Konfigurationen von Zuckerprodukten weiter erweitern kann und so die künstliche Erzeugung einer Vielfalt von Zuckermolekülen ermöglicht.

Dieses Forschungsergebnis stellt einen bedeutenden Durchbruch bei der Synthese von Stärke aus Kohlendioxid dar und widerlegt das Paradigma, sich bei der Herstellung komplexer Zuckermoleküle auf die Umwandlung von Zuckerbiomasseressourcen zu verlassen . Es bietet ein flexibles und skalierbares Zuckerherstellungsmodell, mit dem funktionelle Zuckermoleküle gewonnen werden können, die in der Natur selten sind, und so der Anwendungsbereich erweitert wird. Der gewonnene Zucker kann als Rohstoff in der Lebensmittel-, Medizin- und anderen Bereichen verwendet werden. Es kann außerdem als wichtiger Rohstoff in der industriellen Bioproduktion zur Synthese anderer Chemikalien verwendet werden und so auch zur Deckung weiterer Materialbedürfnisse der Menschheit beitragen. Diese Forschung bietet auch eine neue Lösung für die Umwandlung und Nutzung von Kohlendioxid: Die Umwandlung von Kohlendioxid in Stärke, Zucker und andere lebensnotwendige Stoffe wird den Kohlendioxidausstoß reduzieren.

Künstliche Umwandlung von Kohlendioxid zur Synthese einer Hexoselösungsprobe (Bildquelle: Tianjin Institute of Industrial Biotechnology, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Manfred T. Reetz, ein international renommierter organischer Chemiker, Experte auf dem Gebiet der Biokatalyse und Mitglied der Deutschen Akademie der Wissenschaften, erklärte, dass die Umwandlung von Kohlendioxid in Kohlenhydrate eine besonders interessante und zugleich sehr anspruchsvolle Idee sei. Die Ergebnisse stellen einen echten Durchbruch in diesem wettbewerbsintensiven Forschungsfeld dar und ermöglichen eine flexible, vielseitige und effiziente Methode zur Zuckersynthese.

Nun ist uns ein technischer Durchbruch bei der künstlichen Präzisionssynthese von Hexose gelungen, bis zur industriellen Produktion ist es jedoch noch ein weiter Weg. Ich bin davon überzeugt, dass mit dem Fortschritt von Wissenschaft und Technologie die damit verbundenen wissenschaftlichen und ingenieurtechnischen Probleme gelöst werden können. Wir können Zucker nicht nur so gestalten, dass er den Menschen Freude bereitet, sondern auch eine CO2-arme Zukunft.

Autor: Yang Jiangang und Sun Yuanxia

Autoreinheit: Tianjin Institute of Industrial Biotechnology, Chinesische Akademie der Wissenschaften

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