科技日報記者?陸成寬
此前，我國科學家在國際上首次實現(xiàn)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，《自然·催化》以封面文章的形式發(fā)表了一項最新研究成果。經(jīng)過一年半的努力，我國科研人員通過電催化結(jié)合生物合成的方式，將二氧化碳高效還原合成高濃度乙酸，并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杰課題組共同完成。
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，曾杰回應：“經(jīng)過后續(xù)純化處理，可以食用。”
那么，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(zhuǎn)化為可供微生物利用的原料，方便微生物發(fā)酵。”曾杰說，在常溫常壓條件下，清潔、高效的電催化技術是實現(xiàn)這個過程的理想選擇，他們就此已經(jīng)發(fā)展了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。”曾杰說。
研究人員發(fā)現(xiàn)，一氧化碳通過脈沖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(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。
“我們利用新型固態(tài)電解質(zhì)反應裝置，使用固態(tài)電解質(zhì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)電催化技術中的電解質(zhì)鹽溶液，直接得到了無需進一步分離的純乙酸水溶液。”夏川介紹。
微生物“吃醋”產(chǎn)葡萄糖
得到乙酸后，研究人員嘗試利用釀酒酵母這一微生物來合成葡萄糖。
“釀酒酵母主要用于奶酪、饅頭、釀酒等發(fā)酵行業(yè)，同時也因其優(yōu)秀的工業(yè)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。”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1.7g/L。
“我們利用這種生物釀酒酵母‘從無到有’地在克級水平合成了葡萄糖，這代表了該策略較高的生產(chǎn)水平與發(fā)展?jié)摿Α！庇跐f，為進一步提升合成葡萄糖的產(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，泛菌屬和大腸桿菌的葡萄糖磷酸酶元件可以“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2.2g/L，產(chǎn)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(fā)電的迅速崛起，電力成本下降，二氧化碳電還原技術已經(jīng)具備與依賴化石能源的傳統(tǒng)化工工藝競爭的潛力。
同時，微生物作為活細胞工廠，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”。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(fā)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(jié)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(yè)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(fā)展了一條由水和二氧化碳到含能化學小分子乙酸，然后經(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。
“該工作開辟了電化學結(jié)合活細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。”中國科學院院士、上海交通大學教授鄧子新說道。
同時，曾杰也強調(diào)，這項成果尚處于實驗室的基礎研究階段，如果要推向?qū)嵱茫€需要進一步提高能量效率和產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。
曾杰表示，接下來，研究團隊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，只需保持電催化設施不改變，更換發(fā)酵使用的微生物就能實現(xiàn)。