2022-05-09 16:17:00
科學(xué)家又用空氣中的二氧化碳“變魔術(shù)”了。此前，我國科學(xué)家在國際上首次實(shí)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，以封面文章形式發(fā)表于《自然-催化》上的一項(xiàng)最新研究表明，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脂肪酸。
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認(rèn)為，該工作為人工和半人工合成“糧食”提供了新的技術(shù)。
吃飯吃出科研靈感
這一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(jìn)技術(shù)研究院于濤課題組與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)曾杰課題組共同完成。鄭婷婷、張夢露、吳良煥為共同第一作者，曾杰、于濤、夏川為共同通訊作者。
曾杰告訴中青報·中青網(wǎng)記者，這項(xiàng)研究歷時約一年半的時間，靈感是吃飯時突發(fā)奇想而來。
2020年12月，夏川到曾杰課題組訪問，他們在吃飯的時候突然想到，很多食物都是碳水化合物，而從物質(zhì)組成上講，二氧化碳和水就具備了碳水化合物中的碳、氫、氧三大基本元素。
那能否將二氧化碳和水做成糧食呢？為此，他們設(shè)計出了電合成和生物合成相結(jié)合的策略。夏川和曾杰都是電合成的高手，他們還需要找一位生物合成的專家，于是，便找到了深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所的于濤。
二氧化碳和糧食有啥本質(zhì)區(qū)別？曾杰說，一方面是能量，另一方面是物質(zhì)。二氧化碳能量低；而能夠作為糧食的葡萄糖和脂肪酸，能量高。物質(zhì)上，人類不能直接用二氧化碳維持生命活動，但是糖和脂肪可以。
喝“西北風(fēng)”肯定喝不飽，但如果把“西北風(fēng)”里的二氧化碳變成糧食呢？科學(xué)家一直希望能把“無用”的工業(yè)廢氣二氧化碳轉(zhuǎn)化成對我們有用的“糧食”。要把設(shè)想變成現(xiàn)實(shí)，研究者們決定分“三步走”。
工業(yè)廢氣變“食醋”
“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。”曾杰介紹，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(shí)現(xiàn)這個過程的理想選擇，他們就此已經(jīng)發(fā)展了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。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。
但是，傳統(tǒng)的一氧化碳電合成乙酸的效率和純度并不盡如人意。特別是，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。曾杰說，這種鹽會讓發(fā)酵工具酵母“中毒”。
所以，為了“喂飽”酵母，不僅要提升轉(zhuǎn)化效率，保證“食物”的數(shù)量，還要創(chuàng)新合成方式，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(yīng)裝置，使用固態(tài)電解質(zhì)代替原本的電解質(zhì)鹽溶液，直接得到了不必進(jìn)一步分離的純乙酸水溶液。”夏川介紹，利用該裝置，能制備純度達(dá)97%的乙酸水溶液。
酵母“吃醋”產(chǎn)葡萄糖
得到乙酸后，第三步，研究者們開始嘗試?yán)冕劸平湍高@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(xì)胞生物學(xué)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(tuán)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(shí)驗(yàn)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(dá)到每升1.7克。
“利用模式生物釀酒酵母‘從無到有’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?rdquo;于濤說，為了進(jìn)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(qiáng)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。
于濤說，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)到每升2.2克，產(chǎn)量提高了30%。
生物制造新范例
“這其實(shí)是一個用能量換物質(zhì)的故事。”曾杰介紹，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。
目前對二氧化碳電還原技術(shù)的研究大多局限于小分子產(chǎn)物，如何高效、可持續(xù)地將二氧化碳轉(zhuǎn)化為富含能量的碳基長鏈分子，仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。而他們的研究，不僅僅是將二氧化碳、水，和電能變成了“糧食”，更為業(yè)界提供了一種新的研究路徑。
夏川說：“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。”
他表示，合適的電子載體對微生物發(fā)酵至關(guān)重要。由于二氧化碳電還原的氣相產(chǎn)物均難溶于水，生物利用效率低，因此可以優(yōu)先選擇二氧化碳電還原的液相產(chǎn)物作為生物發(fā)酵的電子載體。
然而，傳統(tǒng)的電化學(xué)反應(yīng)器中所得的液體產(chǎn)物是與電解質(zhì)鹽混在一起的混合物，不能直接用于生物發(fā)酵。鑒于此，該團(tuán)隊創(chuàng)新開發(fā)的固態(tài)電解質(zhì)反應(yīng)器，有效解決了二氧化碳電還原液體產(chǎn)物分離的問題，可以連續(xù)穩(wěn)定地為微生物發(fā)酵提供液態(tài)電子載體。
同時，微生物作為活細(xì)胞工廠，其優(yōu)點(diǎn)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。
曾杰表示：“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。接下來，我們將進(jìn)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(shí)現(xiàn)。
對于這項(xiàng)工作，中國科學(xué)院院士、上海交通大學(xué)微生物代謝國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任鄧子新評價道：“該工作開辟了電化學(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(jìn)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。”
來源：中國青年報
編輯：牛姣
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