我國科學家首次實現二氧化碳到淀粉的從頭合成

二氧化碳是一種常見的溫室氣體，近些年來，各國一直致力于減少二氧化碳排放，以及對所排放的二氧化碳進行回收利用技術的研發。在去年，我國科學家在合成生物學領域取得重大突破，在國際上首次在實驗室實現了二氧化碳到淀粉的從頭合成。

而在近日，據人民日報報道，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的最新研究表明，通過電催化結合生物合成的方式，將二氧化碳高效還原合成高濃度乙酸，進一步利用微生物可以合成葡萄糖和脂肪酸。該成果以封面文章形式，于北京時間4月28日發表于國際期刊《自然·催化》上。

據悉，在研究中，曾教授表示，醋酸不僅是醋的主要成分，還是優良的生物合成碳源之一。它可以轉化為生命中的其他物質，如葡萄糖。醋酸可以通過直接電解二氧化碳得到，但效率低。因此，新研究提出了將二氧化碳轉化為乙酸的兩步策略，以一氧化碳為中間體。

研究人員首先使用Ni-N-C單原子催化劑在膜電極組件中將CO2轉化為CO，然后開發了一種富晶界Cu (GB_Cu)催化劑，用于通過電化學CO還原生產乙酸鹽。

在使用1.0 M KOH水性電解質的典型三電極流通池反應器中，GB_Cu在-0.67 V時表現出高達52%的醋酸法拉第效率，而可逆氫電極的效率則高達52%。

研究人員接著開發了一種帶有厚陰離子交換膜的多孔固體電解質反應器設備，用于分離和純化純乙酸溶液。它在-250 mA cm -2的電流密度下連續穩定工作140小時，獲得了相對純度為~97% wt.%的超純乙酸溶液。

在接下來的微生物發酵中，研究人員刪除了釀酒酵母中所有已定義的己糖激酶基因(glk1、hxk1、hxk2、YLR446W 和 emi2)，讓微生物能夠在純乙酸上生長并在體外有效釋放葡萄糖。

異源葡萄糖-1-磷酸酶的過表達進一步提高了葡萄糖滴度。用電解滴定的醋酸鹽“喂養”釀酒酵母(S. cerevisiae)，會獲得1.81 ± 0.14 g·L -1的平均葡萄糖滴度，相當于每小時每克酵母8.9 μmol的高產率。在喂食純乙酸的釀酒酵母中也觀察到類似的結果。

此外，通過滴定電解醋酸鹽的方法，“喂入”用于生產游離脂肪酸的工程釀酒酵母，總游離脂肪酸(C 8 ~C 18)滴度為500 mg·L -1。

研究人員表示，這項研究工作開辟了電化學結合活細胞催化制備葡萄糖等糧食產物的新策略，為進一步發展基于電力驅動的新型農業與生物制造業提供了新范例，是二氧化碳利用方面的重要方向。

題為Upcycling CO2 into energy-rich long-chain compounds via electrochemical and metabolic engineering的相關研究論文發表在《自然·催化》上。

標簽： 電解二氧化碳 二氧化碳轉化為乙酸 合成葡萄糖 合成脂肪酸 二氧化碳高效還原合成高濃度乙酸