近日，我國科學(xué)家通過電催化結(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，進(jìn)一步利用微生物可以合成葡萄糖和油脂。這一成果由電子科技大學(xué)、中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)共同完成， 4月28日以封面文章形式在國際學(xué)術(shù)期刊《自然—催化》發(fā)表。

溫和條件下工業(yè)廢氣變“食醋”

二氧化碳究竟是如何變成葡萄糖和油脂的呢？

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。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)。

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 （圖片由研究團(tuán)隊提供）

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)曾杰介紹，二氧化碳直接電解可以得到乙酸，但效率不高，所以采取“兩步走”策略——先高效得到一氧化碳，再從一氧化碳到乙酸。

微生物“吃醋”產(chǎn)葡萄糖

得到乙酸后，研究者們嘗試?yán)冕劸平湍高@一微生物來合成葡萄糖。

中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院于濤介紹，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(chǎn)量并不高。

固態(tài)電解質(zhì)反應(yīng)器

對此，研究團(tuán)隊通過敲除釀酒酵母中代謝葡萄糖的三個關(guān)鍵酶原件，廢除了釀酒酵母代謝葡萄糖的能力。利用模式生物釀酒酵母“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?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。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(dá)到2.2 g/L，產(chǎn)量提高了30%。

研究團(tuán)隊通過固態(tài)電解質(zhì)反應(yīng)器制備的乙酸水溶液及乙酸鈉粉末

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，該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)。

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）

責(zé)任編輯：管佳宇