新突破！我国科学家成功将二氧化碳人工合成葡萄糖和脂肪酸

二氧化碳是一种常见的温室气体，近些年来，各国一直致力于减少二氧化碳排放，以及对所排放的二氧化碳进行回收利用技术的研发。在去年，我国科学家在合成生物学领域取得重大突破，在国际上首次在实验室实现了二氧化碳到淀粉的从头合成。

而在近日，据人民日报报道，由电子科技大学夏川课题组、中国科学院深圳先进技术研究院于涛课题组与中国科学技术大学曾杰课题组共同完成的最新研究表明，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脂肪酸。该成果以封面文章形式，于北京时间4月28日发表于国际期刊《自然·催化》上。

据悉，在研究中，曾教授表示，醋酸不仅是醋的主要成分，还是优良的生物合成碳源之一。它可以转化为生命中的其他物质，如葡萄糖。醋酸可以通过直接电解二氧化碳得到，但效率低。因此，新研究提出了将二氧化碳转化为乙酸的两步策略，以一氧化碳为中间体。

研究人员首先使用Ni-N-C单原子催化剂在膜电极组件中将CO2转化为CO，然后开发了一种富晶界Cu (GB_Cu)催化剂，用于通过电化学CO还原生产乙酸盐。 

在使用1.0 M KOH水性电解质的典型三电极流通池反应器中，GB_Cu在-0.67 V时表现出高达52%的醋酸法拉第效率，而可逆氢电极的效率则高达52%。

研究人员接着开发了一种带有厚阴离子交换膜的多孔固体电解质反应器设备，用于分离和纯化纯乙酸溶液。它在-250 mA cm -2的电流密度下连续稳定工作140小时，获得了相对纯度为~97% wt.%的超纯乙酸溶液。

在接下来的微生物发酵中，研究人员删除了酿酒酵母中所有已定义的己糖激酶基因（glk1、hxk1、hxk2、YLR446W 和 emi2），让微生物能够在纯乙酸上生长并在体外有效释放葡萄糖。

异源葡萄糖-1-磷酸酶的过表达进一步提高了葡萄糖滴度。用电解滴定的醋酸盐“喂养”酿酒酵母（S. cerevisiae），会获得1.81 ± 0.14 g·L -1的平均葡萄糖滴度，相当于每小时每克酵母8.9 μmol的高产率。在喂食纯乙酸的酿酒酵母中也观察到类似的结果。

此外，通过滴定电解醋酸盐的方法，“喂入”用于生产游离脂肪酸的工程酿酒酵母，总游离脂肪酸（C 8 ~C 18）滴度为500 mg·L -1。

研究人员表示，这项研究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方向。

题为Upcycling CO2 into energy-rich long-chain compounds via electrochemical and metabolic engineering的相关研究论文发表在《自然·催化》上。

前瞻经济学人APP资讯组

论文原文：

https://www.nature.com/articles/s41929-022-00775-6