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中国科学家的最新研究表明，二氧化碳可以通过电催化和生物合成有效地恢复合成高浓度乙酸，并进一步利用微生物合成葡萄糖和脂肪酸。该结果于北京时间4月28日以封面文章的形式发表在国际期刊《自然催化》上。这一突破为人工和半人工合成的谷物提供了新的技术，为进一步发展基于电力驱动的新农业和生物制造业提供了新的例子。
去年9月，中国科学家在合成生物学领域取得了重大突破，首次实现了从二氧化碳到淀粉的国际合成。那么，二氧化碳能合成淀粉吗？
最近，由电子科技大学夏川研究小组、中国科学院深圳先进技术研究所余涛研究小组和中国科技大学曾杰研究小组共同完成最新研究，通过电催化结合生物合成，二氧化碳有效恢复合成高浓度乙酸，进一步利用微生物可以合成葡萄糖和脂肪酸。
中国科学院院士、中国化学会催化专业委员会主任李灿说：北京时间4月28日，该结果以封面文章的形式发表在国际期刊《自然催化》上。
二氧化碳首先转化为一氧化碳，然后合成乙酸
葡萄糖和脂肪酸是如何合成二氧化碳的？
首先，我们需要将二氧化碳转化为微生物的‘原料’，以促进微生物发酵。曾杰说，清洁高效的电催化技术可以在室温和压力下工作，是实现这一过程的理想选择。
至于要转化为什么样的原料，研究人员专注于乙酸。因为乙酸不仅是醋的主要成分，也是一种优良的生物合成碳源，可以转化为葡萄糖等生物质。
乙酸可以二氧化碳可以得到乙酸，但效率不高，所以我们决定分两步――从一氧化碳到乙酸，先高效获得一氧化碳。
目前，从一氧化碳到乙酸的电合成效率（即乙酸法拉第效率）和纯度并不令人满意。对此，研究人员发现，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%。
在实际生产中，提高电流可以提高功率，但可能会降低法拉第的效率。夏川说，这就像把每天的工作时间从8小时延长到12小时。虽然时间更长，但工作效率会下降。因此，我们将最高偏电流密度提高到321mA/c m2乙酸法拉第效率仍保持在46%，能更好地保持高电流和高法拉第效率的平衡。
然而，传统电催化装置生产的乙酸与大量电解质盐混合，不能直接用于生物发酵。因此，为了喂养微生物，我们不仅要提高转化效率，确保食物的数量，还要获得纯乙酸，不含电解质盐，以确保食物的质量。
我们使用新型固态电解质反应装置，用固态电解质代替原有的电解质盐溶液，直接获得纯乙酸水溶液，无需进一步分离。夏川介绍，该装置可连续制备纯度达97%的乙酸水溶液超过140小时。
将乙酸喂给酿酒酵母，产生葡萄糖和脂肪酸
得到乙酸后，研究人员开始尝试用微生物酿酒酵母合成葡萄糖。
酿酒酵母主要用于发酵奶酪、馒头、葡萄酒和其他食物，也通常用作微生物制造和细胞生物学研究的模式生物。余涛说，酿酒酵母通过乙酸合成葡萄糖的过程就像微生物嫉妒一样。酿酒酵母通过持续的嫉妒合成葡萄糖。
然而，在这个过程中，酿酒酵母本身也会代谢部分葡萄糖，所以产量不高。为了解决这个问题，研究小组废除了酿酒酵母代谢葡萄糖的三个关键酶元件。去除后，在摇瓶发酵的条件下，合成葡萄糖产量达到1.7g/L（克/升）。
生物酿酒酵母从零开始在克级合成葡萄糖，代表了较高的生产水平和发展潜力。余涛表示，为了进一步提高合成葡萄糖的产量，不仅要废除酿酒酵母代谢葡萄糖的能力，还要加强葡萄糖本身的积累。
因此，研究人员敲除了两种疑似具有代谢葡萄糖能力的酶元件，并插入泛菌属和大肠杆菌的葡萄糖磷酸酶元件。
余涛说，这两种酶可以将酵母体内其他通道中的磷酸分子转化为葡萄糖，增强酵母积累葡萄糖的能力。改造后的工程酵母菌株葡萄糖产量达到2.2g/L，产量提高了30%。
在用乙酸制备脂肪酸的过程中，研究人员通过类似的基因编辑技术加强了酵母细胞产生脂肪酸的能力。改造后的酵母菌株产生脂肪酸448.5mg/L(毫克/升)。
新的催化方法有助于高效制备高附加值化学品
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欣认为，研究开辟了电化学结合活细胞催化制备葡萄糖等粮食产品的新战略，为进一步发展新农业和生物制造业提供了新的例子，是二氧化碳利用的重要方向。
近年来，随着新能源发电的快速崛起，二氧化碳还原技术有潜力与依赖化石能源的传统化学工艺竞争。因此，研究二氧化碳还原制备高附加值化学品和燃料的高效工艺被学术界认为是实现零碳排放的重要研究方向之一。
目前，如何高效、可持续地将二氧化碳转化为能量丰富的长链分子仍然是一个巨大的挑战。
夏川说：为了避免二氧化碳电还原产品的局限性，我们可以考虑将二氧化碳电还原过程与生物过程耦合，将电催化产品作为微生物后续发酵生长碳链的电子载体，然后用于生产和生活。
适当的电子载体对微生物发酵至关重要。由于二氧化碳电还原的气相产物不溶于水，生物利用效率低，优先选择二氧化碳电还原的液相产物作为生物发酵的电子载体。然而，普通电化学反应器中获得的液体产物是与电解质盐混合的混合物，不能直接用于生物发酵。固体电解质反应器的发展有效地解决了二氧化碳电还原液体产物分离的问题，为微生物发酵提供了液体电子载体。
微生物的优点是产物多样性很高，能够合成许多无法通过人工生产或人工生产效率很低的化合物。
曾杰说：接下来，我们将进一步研究电催化与生物发酵平台的同配性和兼容性。未来，如果你想合成淀粉、制造色素、生产药物等，你只需要保持电催化设施不变，更换发酵微生物。
人民日报
