《人民日報》于4月29日報道由電子科技大學夏川課題組、中國科學院深圳先進技術研究院于濤課題組與中國科學技術大學曾杰課題組共同完成的最新研究成果。
我國科學家最新研究表明，通過電催化結合生物合成的方式，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脂肪酸。該成果以封面文章形式，于北京時間4月28日發表于國際期刊《自然·催化》上。這項突破為人工和半人工合成“糧食”提供了新技術，為進一步發展基于電力驅動的新型農業與生物制造業提供了新范例。
去年9月，我國科學家在合成生物學領域取得重大突破，在國際上首次在實驗室實現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，由電子科技大學夏川課題組、中國科學院深圳先進技術研究院于濤課題組與中國科學技術大學曾杰課題組共同完成的最新研究表明，通過電催化結合生物合成的方式，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脂肪酸。
北京時間4月28日，該成果以封面文章形式發表于國際期刊《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。”中國科學院院士、中國化學會催化專業委員會主任李燦說。
二氧化碳先轉化為一氧化碳，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化為可供微生物利用的‘原料’，方便微生物發酵。”曾杰說，清潔、高效的電催化技術可以在常溫常壓條件下工作，是實現這個過程的理想選擇。
至于要轉化為哪種“原料”，研究人員將目光瞄準了乙酸。因為乙酸不僅是食醋的主要成分，也是一種優秀的生物合成碳源，可以轉化為葡萄糖等其他生物物質。
“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，科研人員發現，一氧化碳通過脈沖電化學還原工藝形成的晶界銅催化合成乙酸法拉第效率可達52%。
“實際生產中，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間從8小時延長到12小時，雖然時間更久，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，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，常規電催化裝置生產出的乙酸混合著很多電解質鹽，無法直接用于生物發酵。所以，為了“喂飽”微生物，不僅要提升轉化效率，保證“食物”的數量，還要得到不含電解質鹽的純乙酸，保證“食物”的質量。
“我們利用新型固態電解質反應裝置，使用固態電解質代替原本的電解質鹽溶液，直接得到了無需進一步分離的純乙酸水溶液。”夏川介紹，利用該裝置，能超140小時連續制備純度達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、酒等食品的發酵，同時也常被用作微生物制造與細胞生物學研究的模式生物。”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，在這個過程中，釀酒酵母本身也會代謝掉一部分葡萄糖，所以產量并不高。為了解決這一問題，科研團隊通過敲除釀酒酵母中代謝葡萄糖的3個關鍵酶元件，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酵的條件下，合成的葡萄糖產量達到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水平與發展潛力。”于濤說，為了進一步提升合成的葡萄糖產量，不僅要廢除釀酒酵母代謝葡萄糖的能力，還要加強它本身積累葡萄糖的能力。
于是，科研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。
于濤表示，這兩種酶可以將酵母體內其他通路中的磷酸分子轉化為葡萄糖，加強了酵母菌積累葡萄糖的能力。經過改造后的工程酵母菌株的葡萄糖產量達到2.2g/L，產量提高了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，強化了酵母細胞生成脂肪酸的能力。經過改造后的酵母菌株對脂肪酸的產量達到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品
中國科學院院士、上海交通大學微生物代謝國家重點實驗室主任鄧子新認為，這項研究工作開辟了電化學結合活細胞催化制備葡萄糖等糧食產物的新策略，為進一步發展基于電力驅動的新型農業與生物制造業提供了新范例，是二氧化碳利用方面的重要方向。
近年來，隨著新能源發電的迅速崛起，二氧化碳電還原技術已經具備與依賴化石能源的傳統化工工藝競爭的潛力。因此，研究關于二氧化碳電還原制備高附加值化學品及燃料的高效工藝，被學界認為是實現零碳排放的重要研究方向之一。
目前，如何高效、可持續地將二氧化碳轉化為富含能量的長鏈分子仍是巨大挑戰。
夏川說：“為了規避二氧化碳電還原的產物局限性，可考慮將二氧化碳電還原過程與生物過程相耦合，以電催化產物作為電子載體，供微生物后續發酵合成長碳鏈的化學產品，進而用于生產和生活。”
合適的電子載體對微生物發酵至關重要。由于二氧化碳電還原的氣相產物均難溶于水，生物利用效率低，因此優先選擇二氧化碳電還原的液相產物作為生物發酵的電子載體。然而，普通電化學反應器中所得的液體產物是與電解質鹽混在一起的混合物，不能直接用于生物發酵。固態電解質反應器的開發有效解決了二氧化碳電還原液體產物分離的問題，可以連續穩定地為微生物發酵提供液態電子載體。
微生物的優點是產物多樣性很高，能夠合成許多無法通過人工生產或人工生產效率很低的化合物。
曾杰表示：“接下來，我們將進一步研究電催化與生物發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、生產藥物等，只需保持電催化設施不改變，更換發酵使用的微生物就能實現。
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