中國科學(xué)家再次實現(xiàn)二氧化碳“變廢為寶”：還原合成葡萄糖和油脂

體外二氧化碳人工合成高能長鏈?zhǔn)称贩肿邮疽鈭D。　研究團隊 供圖　　

中新網(wǎng)北京4月28日電 (記者 孫自法)二氧化碳除了可以“變”淀粉，還能“變”其他東西嗎?中國科學(xué)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(xiàn)二氧化碳到淀粉的從頭合成之后，中國科學(xué)家團隊再次實現(xiàn)二氧化碳“變廢為寶”，他們通過電催化結(jié)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(xué)夏川課題組、中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院于濤課題組和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)曾杰課題組共同完成，北京時間4月28日夜間，研究論文在國際專業(yè)學(xué)術(shù)期刊《自然-催化》以封面文章形式發(fā)表。

晶界銅催化CO還原合成乙酸?！⊙芯繄F隊 供圖

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。　研究團隊 供圖

溫和條件下工業(yè)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?

曾杰科普介紹說，首先，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。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，他們團隊就此已發(fā)展很多成熟的電催化劑體系。

至于要轉(zhuǎn)化為哪種“原料”，研究人員將目光瞄準(zhǔn)了乙酸。因為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)。

“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苷f。

夏川指出，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，為了“喂飽”微生物，不僅要提升轉(zhuǎn)化效率，保證“食物”的數(shù)量，還要得到不含電解質(zhì)鹽的純乙酸，保證“食物”的質(zhì)量。

研究團隊利用新型固態(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。利用該裝置，能在穩(wěn)定電流密度內(nèi)，超140小時連續(xù)制備純度達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?！⊙芯繄F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(chǎn)葡萄糖

于濤說，得到乙酸后，研究團隊嘗試?yán)冕劸平湍高@一微生物來合成葡萄糖。這個過程，就像是微生物在“吃醋”，釀酒酵母通過不斷地“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(chǎn)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(guān)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(fā)酵的條件下，合成的葡萄糖產(chǎn)量達到1.7克每升。

為進一步提升合成的葡萄糖產(chǎn)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克每升，產(chǎn)量提高30%。

改造后用于制備葡萄糖的酵母菌株發(fā)酵液(棕色溶液)，及制備的葡萄糖(白色溶液)。　研究團隊 供圖

固態(tài)電解質(zhì)反應(yīng)器。　研究團隊 供圖

新型催化方式助力高附加值化合物生產(chǎn)

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。因此，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(rèn)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。

夏川表示，為了規(guī)避二氧化碳電還原的產(chǎn)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(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)品用于生產(chǎn)和生活。

微生物作為活細(xì)胞工廠，其優(yōu)點是產(chǎn)物多樣性很高，能夠合成許多無法通過人工生產(chǎn)或人工生產(chǎn)效率很低的化合物，是非常豐富的“物質(zhì)合成工具箱”。

曾杰認(rèn)為，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。研究團隊后續(xù)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)。

研究團隊通過固態(tài)電解質(zhì)反應(yīng)器制備的乙酸鈉粉末。　研究團隊 供圖

研究團隊通過固態(tài)電解質(zhì)反應(yīng)器制備的乙酸水溶液?！⊙芯繄F隊 供圖

為人工半人工合成“糧食”提供新技術(shù)

中國科學(xué)院院士、中國催化專業(yè)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(fā)展了一條由水和二氧化碳到含能化學(xué)小分子乙酸，后經(jīng)工程改造的酵母微生物催化合成葡萄糖和游離的脂肪酸等高附加值產(chǎn)物的新途徑，為人工和半人工合成“糧食”提供了新的技術(shù)。

中國科學(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認(rèn)為，該研究工作開辟了電化學(xué)結(jié)合活細(xì)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。(完)