二氧化碳除了可以“變”淀粉，還能“變”其他東西嗎？繼去年成功全人工合成淀粉之后，我國科學(xué)家再獲突破，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，進一步利用微生物可以合成葡萄糖和油脂。

4月28日，這項成果以封面文章形式發(fā)表于《自然—催化》上。

▲通過電化學(xué)耦合生物發(fā)酵實現(xiàn)將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為長鏈產(chǎn)品的示意圖

“該工作為人工和半人工合成'糧食’提供了新的技術(shù)?！敝袊茖W(xué)院院士、中國催化專業(yè)委員會主任李燦研究員評價道。

常溫常壓“二步走”，工業(yè)廢氣變“食醋”

究竟怎樣才能把二氧化碳變成葡萄糖和油脂呢？

“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?！闭撐耐ㄓ嵶髡咧?、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授曾杰介紹，清潔、高效的電催化技術(shù)可以在常溫常壓條件下工作，是實現(xiàn)這個過程的理想選擇，為此他們已經(jīng)發(fā)展了很多成熟的電催化劑體系。

為了更好通向“糖與油”之路，二氧化碳應(yīng)該轉(zhuǎn)化為哪種“原料”最合適？研究人員將目光瞄準了乙酸——它不僅是食醋的主要成分，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)。

盡管二氧化碳直接電解可以得到乙酸，但效率不高，“所以，我們采取'兩步走’策略——先高效得到一氧化碳，再從一氧化碳到乙酸?！痹芙忉?。

可是，目前一氧化碳到乙酸的電合成效率（即乙酸法拉第效率）和純度依舊不盡如人意。對此，研究人員發(fā)現(xiàn)，由一氧化碳催化形成乙酸鹽，特異性地受催化劑表面幾何形狀影響，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52%。

▲體外二氧化碳人工合成高能長鏈食品分子示意圖

“實際生產(chǎn)中，提升電流可以提升功率，但是可能降低法拉第效率?！闭撐耐ㄓ嵶髡咧弧㈦娮涌萍即髮W(xué)教授夏川說，就好比把每天的工作時間從8小時延長到12小時，雖然上班更久，但工作效率反而會下降?！拔覀儼炎罡咂娏髅芏忍嵘?21 mA/cm2（毫安每平方厘米）時，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?！?/p>

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，人員還要得到高純度的乙酸，保證微生物的“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，直接得到了無需進一步分離的純乙酸水溶液?！毕拇ń榻B，利用該裝置，能夠超140小時連續(xù)制備純度達97%的乙酸水溶液。

釀酒酵母“吃醋”，高效產(chǎn)出“糖與油”

得到乙酸后，研究者們嘗試利用釀酒酵母這一微生物來合成葡萄糖。

“釀酒酵母主要用于奶酪、饅頭、釀酒等發(fā)酵行業(yè)，同時也因其優(yōu)秀的工業(yè)屬性，常被用作微生物制造與細胞生物學(xué)研究的模式生物?！敝袊茖W(xué)院深圳先進技術(shù)研究院研究員于濤說，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”，通過不斷地“吃醋”來合成葡萄糖。

然而，釀酒酵母不僅會“吃醋”，也會吃葡萄糖，這就會影響產(chǎn)量。對此，研究團隊敲除了釀酒酵母中代謝葡萄糖的三個關(guān)鍵酶元件——Glk1、Hxk1和Hxk2，“廢除”了釀酒酵母代謝葡萄糖的能力。

敲除之后，實驗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)量達到1.7 g/L。不過，科學(xué)家還不滿意，為了進一步提升合成的葡萄糖產(chǎn)量，他們還要加強它本身積累葡萄糖的能力。

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

▲釀酒酵母菌株工程改造

于濤表示，這兩種酶可以“另辟蹊徑”，將酵母體內(nèi)其他通路中的磷酸分子轉(zhuǎn)化為葡萄糖，增加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)量達到2.2 g/L，產(chǎn)量提高了30%！

游離脂肪酸是一類C8-C18組成的長鏈多碳化合物總稱，因其在生產(chǎn)油脂化學(xué)品和生物燃料生產(chǎn)方面的潛在用途而受到廣泛關(guān)注。目前有關(guān)游離脂肪酸生產(chǎn)研究主要以葡萄糖為底物，研究人員以電催化合成乙酸為底物，在構(gòu)建的產(chǎn)脂肪酸菌株中合成脂肪酸，合成脂肪酸含量檢測可達448.5 mg/L,

電子載物+生物工廠，助力生產(chǎn)高附加值化合物

近年來，隨著新能源發(fā)電的迅速崛起，電力成本下降，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。高效的二氧化碳電還原制備高附加值化學(xué)品和燃料的工藝，被學(xué)界認為是建設(shè)未來“零碳排放”物質(zhì)轉(zhuǎn)化的重要研究方向之一。

學(xué)界將“高效、可持續(xù)地將二氧化碳轉(zhuǎn)化為富含能量的碳基長鏈分子”作為一個巨大的挑戰(zhàn)?！盀榱艘?guī)避二氧化碳電還原的產(chǎn)物局限性，可考慮以電催化產(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?！毕拇ㄕf。

曾杰表示，“通過電催化結(jié)合生物合成的新型催化方式，可以有效提高碳的附加值。接下來，我們將進一步研究電催化與生物發(fā)酵這兩個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現(xiàn)。

“該工作開辟了電化學(xué)結(jié)合活細胞催化制備葡萄糖等糧食產(chǎn)物的新策略，為進一步發(fā)展基于電力驅(qū)動的新型農(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發(fā)展方向?！敝袊茖W(xué)院院士、上海交通大學(xué)微生物代謝國家重點實驗室主任鄧子新評價道。

鄭婷婷、張夢露、吳良煥為論文的共同第一作者，曾杰、于濤、夏川為共同通訊作者。

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