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文汇:让二氧化碳高效变成“糖与油”,中国科学家再获新突破!
文:许琦敏 来源:社会媒体 时间:2022-04-29 947

二氧化碳除了可以“变”淀粉,还能“变”其他东西吗?继去年成功全人工合成淀粉之后,我国科学家再获突破,通过电催化结合生物合成的方式,将二氧化碳高效还原合成高浓度乙酸,进一步利用微生物可以合成葡萄糖和油脂。

4月28日,这项成果以封面文章形式发表于《自然—催化》上。

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▲通过电化学耦合生物发酵实现将二氧化碳和水转化为长链产品的示意图

“该工作为人工和半人工合成‘粮食’提供了新的技术。”中国科学院院士、中国催化专业委员会主任李灿研究员评价道。

常温常压“二步走”,工业废气变“食醋”

究竟怎样才能把二氧化碳变成葡萄糖和油脂呢?

“首先,我们需要把二氧化碳转化为可供微生物利用的原料,方便微生物发酵。”论文通讯作者之一、中国科学技术大学教授曾杰介绍,清洁、高效的电催化技术可以在常温常压条件下工作,是实现这个过程的理想选择,为此他们已经发展了很多成熟的电催化剂体系。

为了更好通向“糖与油”之路,二氧化碳应该转化为哪种“原料”最合适?研究人员将目光瞄准了乙酸——它不仅是食醋的主要成分,也是一种优秀的生物合成碳源,可以转化为葡萄糖等其他生物物质。

尽管二氧化碳直接电解可以得到乙酸,但效率不高,“所以,我们采取‘两步走’策略——先高效得到一氧化碳,再从一氧化碳到乙酸。”曾杰解释。

可是,目前一氧化碳到乙酸的电合成效率(即乙酸法拉第效率)和纯度依旧不尽如人意。对此,研究人员发现,由一氧化碳催化形成乙酸盐,特异性地受催化剂表面几何形状影响,一氧化碳通过脉冲电化学还原工艺形成的晶界铜催化合成乙酸法拉第效率可达52%。

体外二氧化碳人工合成高能长链食品分子示意图.jpg

▲体外二氧化碳人工合成高能长链食品分子示意图

“实际生产中,提升电流可以提升功率,但是可能降低法拉第效率。”论文通讯作者之一、电子科技大学教授夏川说,就好比把每天的工作时间从8小时延长到12小时,虽然上班更久,但工作效率反而会下降。“我们把最高偏电流密度提升到321 mA/cm2(毫安每平方厘米)时,乙酸法拉第效率仍保持在46%,能够较好地保持‘高电流’和‘高法拉第效率’的平衡。”

不过,常规电催化装置生产出的乙酸混合着很多电解质盐,无法直接用于生物发酵。所以,人员还要得到高纯度的乙酸,保证微生物的“食物”的质量。

“我们利用新型固态电解质反应装置,使用固态电解质代替原本的电解质盐溶液,直接得到了无需进一步分离的纯乙酸水溶液。”夏川介绍,利用该装置,能够超140小时连续制备纯度达97%的乙酸水溶液。

酿酒酵母“吃醋”,高效产出“糖与油”

得到乙酸后,研究者们尝试利用酿酒酵母这一微生物来合成葡萄糖。

“酿酒酵母主要用于奶酪、馒头、酿酒等发酵行业,同时也因其优秀的工业属性,常被用作微生物制造与细胞生物学研究的模式生物。”中国科学院深圳先进技术研究院研究员于涛说,利用酿酒酵母通过乙酸来合成葡萄糖的过程,就像是微生物在“吃醋”,通过不断地“吃醋”来合成葡萄糖。

然而,酿酒酵母不仅会“吃醋”,也会吃葡萄糖,这就会影响产量。对此,研究团队敲除了酿酒酵母中代谢葡萄糖的三个关键酶元件——Glk1、Hxk1和Hxk2,“废除”了酿酒酵母代谢葡萄糖的能力。

敲除之后,实验中的工程酵母菌株在摇瓶发酵的条件下,合成的葡萄糖产量达到1.7 g/L。不过,科学家还不满意,为了进一步提升合成的葡萄糖产量,他们还要加强它本身积累葡萄糖的能力。

于是,研究人员又敲除了两个疑似具备代谢葡萄糖能力的酶元件,同时插入来自泛菌属和大肠杆菌的葡萄糖磷酸酶元件。

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▲酿酒酵母菌株工程改造

于涛表示,这两种酶可以“另辟蹊径”,将酵母体内其他通路中的磷酸分子转化为葡萄糖,增加了酵母菌积累葡萄糖的能力。经过改造后的工程酵母菌株的葡萄糖产量达到2.2 g/L,产量提高了30%!

游离脂肪酸是一类C8-C18组成的长链多碳化合物总称,因其在生产油脂化学品和生物燃料生产方面的潜在用途而受到广泛关注。目前有关游离脂肪酸生产研究主要以葡萄糖为底物,研究人员以电催化合成乙酸为底物,在构建的产脂肪酸菌株中合成脂肪酸,合成脂肪酸含量检测可达448.5 mg/L,

电子载物+生物工厂,助力生产高附加值化合物

近年来,随着新能源发电的迅速崛起,电力成本下降,二氧化碳电还原技术已经具备与依赖化石能源的传统化工工艺竞争的潜力。高效的二氧化碳电还原制备高附加值化学品和燃料的工艺,被学界认为是建设未来“零碳排放”物质转化的重要研究方向之一。

学界将“高效、可持续地将二氧化碳转化为富含能量的碳基长链分子”作为一个巨大的挑战。“为了规避二氧化碳电还原的产物局限性,可考虑以电催化产物作为电子载体,供微生物后续发酵合成长碳链的化学产品。”夏川说。

曾杰表示,“通过电催化结合生物合成的新型催化方式,可以有效提高碳的附加值。接下来,我们将进一步研究电催化与生物发酵这两个平台的同配性和兼容性。” 未来,如果要合成淀粉、制造色素、生产药物等,只需保持电催化设施不改变,更换发酵使用的微生物就能实现。

“该工作开辟了电化学结合活细胞催化制备葡萄糖等粮食产物的新策略,为进一步发展基于电力驱动的新型农业与生物制造业提供了新范例,是二氧化碳利用方面的重要发展方向。”中国科学院院士、上海交通大学微生物代谢国家重点实验室主任邓子新评价道。

郑婷婷、张梦露、吴良焕为论文的共同第一作者,曾杰、于涛、夏川为共同通讯作者。


报道链接:http://wenhui.whb.cn/zhuzhanapp/kjwz/20220428/463610.html?timestamp=1651211997226



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