體外二氧化碳人工合成高能長鏈食品分子示意圖。 研究團隊 供圖
中新網北京4月28日電 (記者 孫自法)二氧化碳除了可以“變”澱粉，還能“變”其他東西嗎？中國科學家最新給出的答案是“能”——可以還原合成葡萄糖和油脂。
繼在國際上首次實現二氧化碳到澱粉的從頭合成之後，中國科學家團隊再次實現二氧化碳“變廢為寶”，他們透過電催化結合生物合成的方式，成功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。
這一重磅科研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和中國科學技術大學曾傑課題組共同完成，北京時間4月28日夜間，研究論文在國際專業學術期刊《自然-催化》以封面文章形式發表。
晶界銅催化CO還原合成乙酸。 研究團隊 供圖
透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。 研究團隊 供圖
溫和條件下工業廢氣變“食醋”
在本次研究中，二氧化碳究竟是如何變成葡萄糖和油脂的呢？
曾傑科普介紹說，首先，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。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，他們團隊就此已發展很多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。
夏川指出，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。
研究團隊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。利用該裝置，能在穩定電流密度內，超140小時連續製備純度達97%的乙酸水溶液。
以乙酸鹽及乙酸為碳源合成葡萄糖及脂肪酸。 研究團隊 供圖
釀酒酵母菌株工程改造。 研究團隊 供圖
微生物“吃醋”產葡萄糖
于濤說，得到乙酸後，研究團隊嘗試利用釀酒酵母這一微生物來合成葡萄糖。這個過程，就像是微生物在“吃醋”，釀酒酵母透過不斷地“吃醋”來合成葡萄糖，但在這個過程中，釀酒酵母本身也會代謝掉一部分葡萄糖，所以產量並不高。
對此，研究團隊透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1.7克每升。
為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。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，這兩種酶可以“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2.2克每升，產量提高30%。
改造後用於製備葡萄糖的酵母菌株發酵液(棕色溶液)，及製備的葡萄糖(白色溶液)。 研究團隊 供圖
固態電解質反應器。 研究團隊 供圖
新型催化方式助力高附加值化合物生產
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製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。
夏川表示，為了規避二氧化碳電還原的產物侷限性，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，供微生物後續發酵合成長碳鏈的化學產品用於生產和生活。
微生物作為活細胞工廠，其優點是產物多樣性很高，能夠合成許多無法透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”。
曾傑認為，透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。研究團隊後續將進一步研究電催化與生物發酵這兩個平臺的同配性和相容性。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。
研究團隊透過固態電解質反應器製備的乙酸鈉粉末。 研究團隊 供圖
研究團隊透過固態電解質反應器製備的乙酸水溶液。 研究團隊 供圖
為人工半人工合成“糧食”提供新技術
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說，這項最新研究工作耦合人工電催化與生物酶催化過程，發展了一條由水和二氧化碳到含能化學小分子乙酸，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。
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，該研究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。(完)
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