二氧化碳能合成葡萄糖和脂肪酸 我國科學(xué)家取得重大突破

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我國科學(xué)家最新研究表明，通過電催化結(jié)合生物合成的方式，將二氧化碳高效還原合成高濃度乙酸，進(jìn)一步利用微生物可以合成葡萄糖和脂肪酸。該成果以封面文章形式，于北京時(shí)間4月28日發(fā)表于國際期刊《自然·催化》上。這項(xiàng)突破為人工和半人工合成“糧食”提供了新技術(shù)，為進(jìn)一步發(fā)展基于電力驅(qū)動(dòng)的新型農(nóng)業(yè)與生物制造業(yè)提供了新范例。

去年9月，我國科學(xué)家在合成生物學(xué)領(lǐng)域取得重大突破，在國際上首次在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的從頭合成。那么，二氧化碳除了可以合成淀粉，還能合成其他東西嗎？

日前，由電子科技大學(xué)夏川課題組、中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院于濤課題組與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)曾杰課題組共同完成的最新研究表明，通過電催化結(jié)合生物合成的方式，將二氧化碳高效還原合成高濃度乙酸，進(jìn)一步利用微生物可以合成葡萄糖和脂肪酸。

北京時(shí)間4月28日，該成果以封面文章形式發(fā)表于國際期刊《自然·催化》上。“該工作為人工和半人工合成‘糧食’提供了新技術(shù)。”中國科學(xué)院院士、中國化學(xué)會催化專業(yè)委員會主任李燦說。

二氧化碳先轉(zhuǎn)化為一氧化碳，再合成乙酸

二氧化碳究竟如何合成葡萄糖和脂肪酸？

“首先，我們需要把二氧化碳轉(zhuǎn)化為可供微生物利用的‘原料’，方便微生物發(fā)酵。”曾杰說，清潔、高效的電催化技術(shù)可以在常溫常壓條件下工作，是實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程的理想選擇。

至于要轉(zhuǎn)化為哪種“原料”，研究人員將目光瞄準(zhǔn)了乙酸。因?yàn)橐宜岵粌H是食醋的主要成分，也是一種優(yōu)秀的生物合成碳源，可以轉(zhuǎn)化為葡萄糖等其他生物物質(zhì)。

“二氧化碳直接電解可以得到乙酸，但效率不高，所以我們決定分兩步——先高效得到一氧化碳，再從一氧化碳到乙酸。”曾杰說。

目前，一氧化碳到乙酸的電合成效率（即乙酸法拉第效率）和純度不盡如人意。對此，科研人員發(fā)現(xiàn)，一氧化碳通過脈沖電化學(xué)還原工藝形成的晶界銅催化合成乙酸法拉第效率可達(dá)52%。

“實(shí)際生產(chǎn)中，提升電流可以提升功率，但是可能會降低法拉第效率。”夏川說，就好比把每天的工作時(shí)間從8小時(shí)延長到12小時(shí)，雖然時(shí)間更久，但工作效率反而會下降。“因此，我們把最高偏電流密度提升到321mA/cm2（毫安/平方厘米）時(shí)，乙酸法拉第效率仍保持在46%，能夠較好地保持高電流和高法拉第效率的平衡。”

不過，常規(guī)電催化裝置生產(chǎn)出的乙酸混合著很多電解質(zhì)鹽，無法直接用于生物發(fā)酵。所以，為了“喂飽”微生物，不僅要提升轉(zhuǎn)化效率，保證“食物”的數(shù)量，還要得到不含電解質(zhì)鹽的純乙酸，保證“食物”的質(zhì)量。

“我們利用新型固態(tài)電解質(zhì)反應(yīng)裝置，使用固態(tài)電解質(zhì)代替原本的電解質(zhì)鹽溶液，直接得到了無需進(jìn)一步分離的純乙酸水溶液。”夏川介紹，利用該裝置，能超140小時(shí)連續(xù)制備純度達(dá)97%的乙酸水溶液。

把乙酸“喂”給釀酒酵母，生成葡萄糖和脂肪酸

得到乙酸后，科研人員開始嘗試?yán)冕劸平湍高@一微生物來合成葡萄糖。

“釀酒酵母主要用于奶酪、饅頭、酒等食品的發(fā)酵，同時(shí)也常被用作微生物制造與細(xì)胞生物學(xué)研究的模式生物。”于濤說，利用釀酒酵母通過乙酸來合成葡萄糖的過程，就像是微生物在“吃醋”。釀酒酵母通過不斷地“吃醋”來合成葡萄糖。

然而，在這個(gè)過程中，釀酒酵母本身也會代謝掉一部分葡萄糖，所以產(chǎn)量并不高。為了解決這一問題，科研團(tuán)隊(duì)通過敲除釀酒酵母中代謝葡萄糖的3個(gè)關(guān)鍵酶元件，廢除了釀酒酵母代謝葡萄糖的能力。敲除之后，實(shí)驗(yàn)中的工程酵母菌株在搖瓶發(fā)酵的條件下，合成的葡萄糖產(chǎn)量達(dá)到1.7g/L（克/升）。

“利用模式生物釀酒酵母‘從無到有’的在克級水平合成葡萄糖，這代表了該方式較高的生產(chǎn)水平與發(fā)展?jié)摿Α?rdquo;于濤說，為了進(jìn)一步提升合成的葡萄糖產(chǎn)量，不僅要廢除釀酒酵母代謝葡萄糖的能力，還要加強(qiáng)它本身積累葡萄糖的能力。

于是，科研人員又敲除了兩個(gè)疑似具備代謝葡萄糖能力的酶元件，同時(shí)插入來自泛菌屬和大腸桿菌的葡萄糖磷酸酶元件。

于濤表示，這兩種酶可以將酵母體內(nèi)其他通路中的磷酸分子轉(zhuǎn)化為葡萄糖，加強(qiáng)了酵母菌積累葡萄糖的能力。經(jīng)過改造后的工程酵母菌株的葡萄糖產(chǎn)量達(dá)到2.2g/L，產(chǎn)量提高了30%。

在利用乙酸制備脂肪酸的過程中，研究人員通過類似的基因編輯技術(shù)，強(qiáng)化了酵母細(xì)胞生成脂肪酸的能力。經(jīng)過改造后的酵母菌株對脂肪酸的產(chǎn)量達(dá)到448.5mg/L（毫克/升）。

新型催化方式，有助于高效制備高附加值化學(xué)品

中國科學(xué)院院士、上海交通大學(xué)微生物代謝國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任鄧子新認(rèn)為，這項(xiàng)研究工作開辟了電化學(xué)結(jié)合活細(xì)胞催化制備葡萄糖等糧食產(chǎn)物的新策略，為進(jìn)一步發(fā)展基于電力驅(qū)動(dòng)的新型農(nóng)業(yè)與生物制造業(yè)提供了新范例，是二氧化碳利用方面的重要方向。

近年來，隨著新能源發(fā)電的迅速崛起，二氧化碳電還原技術(shù)已經(jīng)具備與依賴化石能源的傳統(tǒng)化工工藝競爭的潛力。因此，研究關(guān)于二氧化碳電還原制備高附加值化學(xué)品及燃料的高效工藝，被學(xué)界認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)零碳排放的重要研究方向之一。

目前，如何高效、可持續(xù)地將二氧化碳轉(zhuǎn)化為富含能量的長鏈分子仍是巨大挑戰(zhàn)。

夏川說：“為了規(guī)避二氧化碳電還原的產(chǎn)物局限性，可考慮將二氧化碳電還原過程與生物過程相耦合，以電催化產(chǎn)物作為電子載體，供微生物后續(xù)發(fā)酵合成長碳鏈的化學(xué)產(chǎn)品，進(jìn)而用于生產(chǎn)和生活。”

合適的電子載體對微生物發(fā)酵至關(guān)重要。由于二氧化碳電還原的氣相產(chǎn)物均難溶于水，生物利用效率低，因此優(yōu)先選擇二氧化碳電還原的液相產(chǎn)物作為生物發(fā)酵的電子載體。然而，普通電化學(xué)反應(yīng)器中所得的液體產(chǎn)物是與電解質(zhì)鹽混在一起的混合物，不能直接用于生物發(fā)酵。固態(tài)電解質(zhì)反應(yīng)器的開發(fā)有效解決了二氧化碳電還原液體產(chǎn)物分離的問題，可以連續(xù)穩(wěn)定地為微生物發(fā)酵提供液態(tài)電子載體。

微生物的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)物多樣性很高，能夠合成許多無法通過人工生產(chǎn)或人工生產(chǎn)效率很低的化合物。

曾杰表示：“接下來，我們將進(jìn)一步研究電催化與生物發(fā)酵這兩個(gè)平臺的同配性和兼容性。”未來如果要合成淀粉、制造色素、生產(chǎn)藥物等，只需保持電催化設(shè)施不改變，更換發(fā)酵使用的微生物就能實(shí)現(xiàn)。