Föreställ dig ett socker som bara har 38 procent av kalorierna i traditionellt bordssocker, är säkert för diabetiker, och kommer inte att orsaka håligheter. Lägg nu till att detta drömsötningsmedel inte är ett konstgjort substitut utan ett riktigt socker som finns i naturen och det smakar som, väl, socker. Du skulle förmodligen vilja använda det i din nästa kopp kaffe, höger?

Detta socker kallas tagatos. FDA har godkänt det som ett livsmedelstillsats, och det har hittills inte funnits några rapporter om de problem som många sockerersättningar har – som en metallisk smak, eller värre, kopplingar till cancer – enligt forskare och FAO/WHO, som certifierat sockret som "allmänt betraktat som säkert".

Så varför finns det inte i alla dina favoritdesserter? Svaret ligger i kostnaden för att producera det. Även om det härrör från frukt och mejeriprodukter, tagatos är inte rikligt och är svårt att extrahera från dessa källor. Tillverkningsprocessen innebär en omvandling från lättare erhållen galaktos till tagatos och är mycket ineffektiv, med avkastning som kanske bara når 30 procent.

Men forskare vid Tufts University har utvecklat en process som kan låsa upp den kommersiella potentialen hos denna lågkalori, lågglykemiskt socker. I en färsk publikation i Naturkommunikation , Biträdande professor Nikhil Nair och postdoktor Josef Bober, båda från Ingenjörshögskolan, kom på ett innovativt sätt att producera sockret med hjälp av bakterier som små bioreaktorer som kapslar in enzymerna och reaktanterna.

Med denna metod, de uppnådde en avkastning på upp till 85 procent. Även om det finns många steg från labbet till kommersiell produktion, Denna höga avkastning kan leda till storskalig tillverkning och få tagatose på varje stormarknadshylla.

Enzymet som väljs för att göra tagatos från galaktos kallas L-arabinoseisomeras (LAI). Dock, galaktos är inte huvudmålet för enzymet, så hastigheterna och utbytena av reaktionen med galaktos är mindre än optimala.

I en lösning, enzymet i sig är inte särskilt stabilt, och reaktionen kan bara driva framåt tills cirka 39 procent av sockret omvandlas till tagatos vid 37 grader Celsius (cirka 99 grader Fahrenheit), och bara upp till 16 procent vid 50 grader Celsius (cirka 122 grader Fahrenheit), innan enzymet bryts ned.

Nair och Bober ville övervinna alla dessa hinder genom biotillverkning, med Lactobacillus plantarum-en livsmedelssäker bakterie-för att göra stora mängder av LAI-enzymet och hålla det säkert och stabilt inom ramen för bakteriecellväggen.

De fann att när det uttrycks i L. plantarum, enzymet fortsatte att omvandla galaktos till tagatos och drev avkastningen till 47 procent vid 37 grader Celsius. Men nu när LAI-enzymet stabiliserades i cellen, det kan öka utbytet till 83 procent vid den högre temperaturen på 50 grader Celsius utan att degraderas nämnvärt, och den producerade tagatos i mycket snabbare takt.

För att avgöra om de kunde driva reaktionen ännu snabbare, Nair och Bober undersökte vad som fortfarande kan begränsa det. De fann bevis för att transporten av utgångsmaterialet, galaktos, in i cellen var en begränsande faktor. För att lösa det problemet, de behandlade bakterierna med mycket låga koncentrationer av rengöringsmedel – precis tillräckligt för att deras cellväggar skulle läcka, enligt forskarna. Galaktosen kunde ta sig in och tagatos frigjordes från cellerna, låter enzymet omvandla galaktos till tagatos i en snabbare takt, raka ett par timmar av den tid som behövs för att nå 85 procents avkastning vid 50 grader Celsius.

"Du kan inte slå termodynamiken. Men även om det är sant, du kan kringgå dess begränsningar genom tekniska lösningar, sa Nair, som är motsvarande författare till studien. "Detta är som det faktum att vatten inte naturligt kommer att flöda från lägre höjd till högre höjd eftersom termodynamiken inte tillåter det. Men, du kan slå systemet med, till exempel, med hjälp av en sifon, som drar upp vattnet först innan det släpps ut i andra änden."

Inkapslar enzymet för stabilitet, kör reaktionen vid högre temperatur, och att mata det mer utgångsmaterial genom läckande cellmembran är alla "sifoner" som används för att driva reaktionen framåt.

Även om det behövs mer arbete för att avgöra om processen kan skalas upp till kommersiella applikationer, biotillverkning har potential att förbättra avkastningen och påverka marknaden för sötningsmedelsersättning, som beräknades vara värd 7,2 miljarder dollar 2018, enligt marknadsundersökningsföretaget Knowledge Sourcing Intelligence.

Nair och Bober noterar också att det finns många andra enzymer som kan dra nytta av att använda bakterier som små kemiska reaktorer som ökar enzymstabiliteten för högtemperaturreaktioner och förbättrar hastigheter och utbyten av omvandling och syntes. När de ser fram emot att utforska andra applikationer, från tillverkning av livsmedelsingredienser till plast, det kommer att finnas mycket på deras tallrik.