De novo artificial synthesis of hexoses from carbon dioxide

化学 果糖 生物化学 有机化学
作者
Jiangang Yang,Wan Song,Tao Cai,Yuyao Wang,Xuewen Zhang,Wangyin Wang,Peng Chen,Yan Zeng,Can Li,Yuanxia Sun,Yanhe Ma
出处
期刊:Science Bulletin [Elsevier]
卷期号:68 (20): 2370-2381 被引量:20
标识
DOI:10.1016/j.scib.2023.08.023
摘要

Developing artificial "CO2-sugar" platforms is meaningful for addressing challenges posed by land scarcity and climate change to the supply of dietary sugar. However, upcycling CO2 into complex polyoxygenated carbohydrates involves several major challenges, including achieving enantioselective and thermodynamically driven transformation and expanding product repertoires while reducing energy consumption. We present a versatile chemoenzymatic roadmap based on aldol condensation, iso/epimerization, and dephosphorylation reactions for asymmetric CO2 and H2 assembly into sugars with perfect stereocontrol. In particular, we developed a minimum ATP consumption and the shortest pathway for bottom-up biosynthesis of the fundamental precursor, fructose-6-phosphate, which is valuable for synthesizing structure-diverse sugars and derivatives. Engineering bottleneck-associated enzyme catalysts aided in the thermodynamically driven synthesis of several energy-dense and functional hexoses, such as glucose and D-allulose, featuring higher titer (63 mmol L-1) and CO2-product conversion rates (25 mmol C L-1 h-1) compared to established in vitro CO2-fixing pathways. This chemical-biological platform demonstrated greater carbon conversion yield than the conventional "CO2-bioresource-sugar" process and could be easily extended to precisely synthesize other high-order sugars from CO2.
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