中國科學家實現二氧化碳到葡萄糖和油脂的人工合成
2022-05-05 08:20 作者：dl001 來源：科技日報 閱覽：
此前，中國科學家在國際上首次實現了二氧化碳到澱粉的從頭合成。那麼，二氧化碳除了可以「變」澱粉，還能「變」其他東西嗎？
答案是肯定的！
4月28日，《自然·催化》以封面文章的形式發表了一項最新研究成果。經過一年半的努力，中國科研人員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，並進一步利用微生物合成葡萄糖和脂肪酸（油脂）。
這一成果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傑課題組共同完成。
先把二氧化碳變成「食醋」
或許有人會問，人造的葡萄糖和油脂可以直接吃嗎？好吃嗎？
對此，曾傑回應：「經過後續純化處理，可以食用。」
那麼，二氧化碳究竟是如何變成葡萄糖和油脂的？
「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。」曾傑說，在常溫常壓條件下，清潔、高效的電催化技術是實現這個過程的理想選擇，他們就此已經發展了成熟的電催化劑體系。
至於要轉化為哪種原料，研究人員將目光瞄準了乙酸。因為它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，所以我們採取『兩步走』策略——先高效得到一氧化碳，再從一氧化碳到乙酸。」曾傑說。
研究人員發現，一氧化碳通過脈衝電化學還原工藝形成的晶界銅催化合成乙酸的效率可高達52%。
不過，常規電催化裝置生產出的乙酸混合著很多電解質鹽，無法直接用於生物發酵。
所以，為了「餵飽」微生物，不僅要提昇轉化效率，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傳統電催化技術中的電解質鹽溶液，直接得到了無需進一步分離的純乙酸水溶液。」夏川介紹。
微生物「吃醋」產葡萄糖
得到乙酸後，研究人員嘗試利用釀酒酵母這一微生物來合成葡萄糖。
「釀酒酵母主要用於奶酪、饅頭、釀酒等發酵行業，同時也因其優秀的工業屬性，常被用作微生物製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，在這過程中，釀酒酵母本身也會代謝掉一部分葡萄糖，所以產量並不高。」于濤表示。
對此，研究團隊通過敲除釀酒酵母中代謝葡萄糖的三個關鍵酶元件，廢除了釀酒酵母代謝葡萄糖的能力。之後，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。
「我們利用這種生物釀酒酵母『從無到有』地在克級水準合成了葡萄糖，這代表了該策略較高的生產水準與發展潛力。」于濤說，為進一步提昇合成葡萄糖的產量，不僅要廢除釀酒酵母的能力，還要加強它本身積累葡萄糖的能力。
於是，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。
于濤表示，泛菌屬和大腸桿菌的葡萄糖磷酸酶元件可以「另闢蹊徑」，將酵母體內其他通路中的磷酸分子轉化為葡萄糖，增加了酵母菌積累葡萄糖的能力。經過改造後的工程酵母菌株的葡萄糖產量達到2.2g/L，產量提高了30%。
新型催化方式有堅實根基
更重要的是，近年來，隨著新能源發電的迅速崛起，電力成本下降，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。
同時，微生物作為活細胞工廠，其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，是非常豐富的「物質合成工具箱」。比如，在人們常見的白酒、饅頭、抗生素等食品藥品的加工中，微生物就發揮著重要作用。
「這樣，合成葡萄糖和油脂所需要的電力和微生物就有了保障，通過電催化結合生物合成的新型催化方式就有了堅實的根基。」夏川說。
對此，中國科學院院士、中國催化專業委員會主任李燦研究員評價，這項工作耦合了人工電合成與生物合成，發展了一條由水和二氧化碳到含能化學小分子乙酸，然後經工程改造的酵母微生物催化合成葡萄糖和遊離的脂肪酸等高附加值產物的新途徑，為人工和半人工合成「糧食」提供了新的技術。
「該工作開闢了電化學結合活細胞催化製備葡萄糖等糧食產物的新策略，為進一步發展基於電力驅動的新型農業與生物製造業提供了新範例，是二氧化碳利用方面的重要發展方向。」中國科學院院士、上海交通大學教授鄧子新說道。
同時，曾傑也強調，這項成果尚處於實驗室的基礎研究階段，如果要推向實用，還需要進一步提高能量效率和產率，降低生產成本。
曾傑表示，接下來，研究團隊將進一步研究電催化與生物發酵這兩個平台的同配性和兼容性。未來，如果要合成澱粉、製造色素、生產藥物等，只需保持電催化設施不改變，更換髮酵使用的微生物就能實現。
答案是肯定的！
4月28日，《自然·催化》以封面文章的形式發表了一項最新研究成果。經過一年半的努力，中國科研人員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，並進一步利用微生物合成葡萄糖和脂肪酸（油脂）。
這一成果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傑課題組共同完成。
先把二氧化碳變成「食醋」
或許有人會問，人造的葡萄糖和油脂可以直接吃嗎？好吃嗎？
對此，曾傑回應：「經過後續純化處理，可以食用。」
那麼，二氧化碳究竟是如何變成葡萄糖和油脂的？
「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。」曾傑說，在常溫常壓條件下，清潔、高效的電催化技術是實現這個過程的理想選擇，他們就此已經發展了成熟的電催化劑體系。
至於要轉化為哪種原料，研究人員將目光瞄準了乙酸。因為它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，所以我們採取『兩步走』策略——先高效得到一氧化碳，再從一氧化碳到乙酸。」曾傑說。
研究人員發現，一氧化碳通過脈衝電化學還原工藝形成的晶界銅催化合成乙酸的效率可高達52%。
不過，常規電催化裝置生產出的乙酸混合著很多電解質鹽，無法直接用於生物發酵。
所以，為了「餵飽」微生物，不僅要提昇轉化效率，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傳統電催化技術中的電解質鹽溶液，直接得到了無需進一步分離的純乙酸水溶液。」夏川介紹。
微生物「吃醋」產葡萄糖
得到乙酸後，研究人員嘗試利用釀酒酵母這一微生物來合成葡萄糖。
「釀酒酵母主要用於奶酪、饅頭、釀酒等發酵行業，同時也因其優秀的工業屬性，常被用作微生物製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，在這過程中，釀酒酵母本身也會代謝掉一部分葡萄糖，所以產量並不高。」于濤表示。
對此，研究團隊通過敲除釀酒酵母中代謝葡萄糖的三個關鍵酶元件，廢除了釀酒酵母代謝葡萄糖的能力。之後，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。
「我們利用這種生物釀酒酵母『從無到有』地在克級水準合成了葡萄糖，這代表了該策略較高的生產水準與發展潛力。」于濤說，為進一步提昇合成葡萄糖的產量，不僅要廢除釀酒酵母的能力，還要加強它本身積累葡萄糖的能力。
於是，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。
于濤表示，泛菌屬和大腸桿菌的葡萄糖磷酸酶元件可以「另闢蹊徑」，將酵母體內其他通路中的磷酸分子轉化為葡萄糖，增加了酵母菌積累葡萄糖的能力。經過改造後的工程酵母菌株的葡萄糖產量達到2.2g/L，產量提高了30%。
新型催化方式有堅實根基
更重要的是，近年來，隨著新能源發電的迅速崛起，電力成本下降，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。
同時，微生物作為活細胞工廠，其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，是非常豐富的「物質合成工具箱」。比如，在人們常見的白酒、饅頭、抗生素等食品藥品的加工中，微生物就發揮著重要作用。
「這樣，合成葡萄糖和油脂所需要的電力和微生物就有了保障，通過電催化結合生物合成的新型催化方式就有了堅實的根基。」夏川說。
對此，中國科學院院士、中國催化專業委員會主任李燦研究員評價，這項工作耦合了人工電合成與生物合成，發展了一條由水和二氧化碳到含能化學小分子乙酸，然後經工程改造的酵母微生物催化合成葡萄糖和遊離的脂肪酸等高附加值產物的新途徑，為人工和半人工合成「糧食」提供了新的技術。
「該工作開闢了電化學結合活細胞催化製備葡萄糖等糧食產物的新策略，為進一步發展基於電力驅動的新型農業與生物製造業提供了新範例，是二氧化碳利用方面的重要發展方向。」中國科學院院士、上海交通大學教授鄧子新說道。
同時，曾傑也強調，這項成果尚處於實驗室的基礎研究階段，如果要推向實用，還需要進一步提高能量效率和產率，降低生產成本。
曾傑表示，接下來，研究團隊將進一步研究電催化與生物發酵這兩個平台的同配性和兼容性。未來，如果要合成澱粉、製造色素、生產藥物等，只需保持電催化設施不改變，更換髮酵使用的微生物就能實現。
