“西北風”巧變“糧”二氧化碳成功合成葡萄糖和脂肪酸

通過電化學耦合生物發酵實現將二氧化碳和水轉化為長鏈產品的示意圖。科研團隊供圖

　　科學家又用空氣中的二氧化碳“變魔術”了。此前，我國科學家在國際上首次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“變”淀粉，還能“變”其他東西嗎？答案是肯定的。

　　4月28日，以封面文章形式發表于《自然-催化》上的一項最新研究表明，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。

　　中國科學院院士、中國催化專業委員會主任李燦研究員認為，該工作為人工和半人工合成“糧食”提供了新的技術。

　　吃飯吃出科研靈感

　　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杰課題組共同完成。鄭婷婷、張夢露、吳良煥為共同第一作者，曾杰、于濤、夏川為共同通訊作者。

　　曾杰告訴中青報·中青網記者，這項研究歷時約一年半的時間，靈感是吃飯時突發奇想而來。

　　2020年12月，夏川到曾杰課題組訪問，他們在吃飯的時候突然想到，很多食物都是碳水化合物，而從物質組成上講，二氧化碳和水就具備了碳水化合物中的碳、氫、氧三大基本元素。

　　那能否將二氧化碳和水做成糧食呢？為此，他們設計出了電合成和生物合成相結合的策略。夏川和曾杰都是電合成的高手，他們還需要找一位生物合成的專家，于是，便找到了深圳先進技術研究院合成生物學研究所的于濤。

　　二氧化碳和糧食有啥本質區別？曾杰說，一方面是能量，另一方面是物質。二氧化碳能量低；而能夠作為糧食的葡萄糖和脂肪酸，能量高。物質上，人類不能直接用二氧化碳維持生命活動，但是糖和脂肪可以。

　　喝“西北風”肯定喝不飽，但如果把“西北風”里的二氧化碳變成糧食呢？科學家一直希望能把“無用”的工業廢氣二氧化碳轉化成對我們有用的“糧食”。要把設想變成現實，研究者們決定分“三步走”。

　　 工業廢氣變“食醋”

　　“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。”曾杰介紹，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，他們就此已經發展了很多成熟的電催化劑體系。

　　至于要轉化為哪種“原料”，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。”曾杰說。

　　但是，傳統的一氧化碳電合成乙酸的效率和純度并不盡如人意。特別是，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。曾杰說，這種鹽會讓發酵工具酵母“中毒”。

　　所以，為了“喂飽”酵母，不僅要提升轉化效率，保證“食物”的數量，還要創新合成方式，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，直接得到了不必進一步分離的純乙酸水溶液。”夏川介紹，利用該裝置，能制備純度達97%的乙酸水溶液。

　　酵母“吃醋”產葡萄糖

　　得到乙酸后，第三步，研究者們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、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。”

　　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。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每升1.7克。

　　“利用模式生物釀酒酵母‘從無到有’在克級水平合成了葡萄糖，這代表了該策略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的能力，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。

　　于濤說，這兩種酶可以“另辟蹊徑”，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。經過改造后的工程酵母菌株的葡萄糖產量達到每升2.2克，產量提高了30%。

　　 生物制造新范例

　　“這其實是一個用能量換物質的故事。”曾杰介紹，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。因此，高效的二氧化碳電還原制備高附加值化學品和燃料的工藝，被學界認為是建設未來“零碳排放”物質轉化的重要研究方向之一。

　　目前對二氧化碳電還原技術的研究大多局限于小分子產物，如何高效、可持續地將二氧化碳轉化為富含能量的碳基長鏈分子，仍然是一個巨大的挑戰。而他們的研究，不僅僅是將二氧化碳、水，和電能變成了“糧食”，更為業界提供了一種新的研究路徑。

　　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用于生產和生活。”

　　他表示，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，因此可以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，傳統的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。鑒于此，該團隊創新開發的固態電解質反應器，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。

　　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。

　　曾杰表示：“通過電催化結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。

　　對于這項工作，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評價道：“該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發展方向。”