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根据中国科学家的最新研究，通过电催化结合生物合成，可以高效地将二氧化碳还原为高浓度的乙酸，并通过微生物进一步合成葡萄糖和脂肪酸。这一成果以封面文章的形式于北京时间4月28日发表在国际期刊《自然催化》上。这一突破为人工和半人工合成“谷物”提供了新技术，为进一步发展基于电力的新型农业和生物制造业提供了新范例。

去年9月，中国科学家在合成生物学领域取得重大突破，在世界上首次在实验室实现二氧化碳从头合成淀粉。那么，二氧化碳除了淀粉还能合成其他东西吗？

日前，由电子科技大学夏川研究组、中国科学院深圳先进技术研究院于涛研究组和中国科学技术大学曾杰研究组联合完成的最新研究表明，电催化结合生物合成可将二氧化碳高效还原为高浓度乙酸，微生物可进一步合成葡萄糖和脂肪酸。

北京时间4月28日，这一成果以封面文章的形式发表在国际期刊《自然催化》上。“这项工作为人工和半人工合成‘食物’提供了新技术。”中国科学院院士、中国化学会催化专业委员会主任李灿说。

二氧化碳首先转化为一氧化碳，然后合成乙酸。

二氧化碳如何合成葡萄糖和脂肪酸？

“首先，我们需要将二氧化碳转化为可被微生物利用的‘原料’，以利于微生物发酵。”曾杰说，清洁高效的电催化技术可以在常温常压下工作，是实现这一过程的理想选择。

至于要转化成什么样的“原料”，研究人员把目光投向了醋酸。因为醋酸不仅是醋的主要成分，也是优良的生物合成碳源，可以转化为葡萄糖等其他生物物质。

“直接电解二氧化碳可以得到醋酸，但效率不高，所以我们决定分两步走——先高效率地得到一氧化碳，再从一氧化碳到醋酸。”曾杰说。

目前一氧化碳电合成乙酸的效率(即乙酸的法拉第效率)和纯度都不尽如人意。对此，研究人员发现，脉冲电化学还原过程形成的晶界铜催化一氧化碳合成乙酸的法拉第效率可达52%。

"在实际生产中，增加电流可以提高功率，但可能会降低法拉第效率."夏川说，这就像把每天的工作时间从8小时延长到12小时。虽然工作时间长了，但是工作效率会下降。“因此，当我们将最大偏置电流密度提高到321mA/cm2 (mA/cm2)时，乙酸的法拉第效率保持在46%，可以在大电流和高法拉第效率之间保持良好的平衡。”

然而，常规电催化装置产生的乙酸与许多电解质盐混合，因此不能直接用于生物发酵。因此，要“喂养”微生物，既要提高转化效率，保证“食物”的数量，又要获得不含电解质盐的纯醋酸，保证“食物”的质量。

“我们使用了一种新型的固体电解质反应装置，用固体电解质代替原来的电解质盐溶液，不需要进一步分离，直接得到纯净的醋酸水溶液。”夏川介绍，用这种装置可以连续140小时以上制得纯度为97%的醋酸水溶液。

乙酸被“喂”给酿酒酵母以产生葡萄糖和脂肪酸。

获得醋酸后，研究人员开始尝试利用酿酒酵母作为微生物合成葡萄糖。

“酿酒酵母主要用于奶酪、馒头、酒等食品的发酵，也常用作微生物制造和细胞生物学研究的模式生物。”于涛说，利用酿酒酵母通过醋酸合成葡萄糖的过程，就像是微生物的一种“嫉妒”。酿酒酵母不断嫉妒合成葡萄糖。

但是在这个过程中，酿酒酵母本身会代谢一部分葡萄糖，所以产量不高。为了解决这一问题，研究团队通过敲除酿酒酵母中的三个关键酶元件，废除了酿酒酵母代谢葡萄糖的能力。敲除后，该工程酵母菌株在摇瓶发酵条件下合成葡萄糖的产量达到1.7g/L (g/L)。

“利用模式生物酿酒酵母‘从零开始’合成克级葡萄糖，代表了该方法更高的生产水平和发展潜力。”于涛说，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，还要加强其自身积累葡萄糖的能力。

因此，研究人员敲除了两种被怀疑能够代谢葡萄糖的酶元件，并插入了来自Panthera和大肠杆菌的葡萄糖磷酸酶元件。

于涛说，这两种酶可以将酵母中其他途径的磷酸分子转化为葡萄糖，从而增强酵母积累葡萄糖的能力。转化后，工程酵母菌株的葡萄糖产量达到2.2g/L，产量提高了30%。

在从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增强了酵母细胞生产脂肪酸的能力。转化后，酵母菌株的脂肪酸产量达到448.5毫克/升。

一种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认为，这项研究工作开辟了电化学与活细胞催化相结合制备葡萄糖等食品产品的新策略，为基于电驱动的新型农业和生物制造产业的进一步发展提供了新的范例，是二氧化碳利用的重要方向。

近年来，随着新能源发电的迅速崛起，二氧化碳电还原技术有可能与依赖化石能源的传统化学工艺相竞争。因此，研究二氧化碳电还原制备高附加值化学品和燃料的高效技术，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富含能量的长链分子仍是一个巨大的挑战。

夏川说，“为了避免二氧化碳电还原的产品局限性，可以考虑将二氧化碳电还原过程与生物过程耦合，以电催化产物为电子载体，供微生物后续发酵合成长碳链的化学产品，进而用于生产和生活。”

合适的电子载体对微生物发酵非常重要。由于二氧化碳电还原的气相产物不溶于水，生物利用度低，二氧化碳电还原的液相产物作为生物发酵的电子载体是优选的。然而，在普通电化学反应器中得到的液体产物是混合有电解质盐的混合物，不能直接用于生物发酵。固态电解质反应器的开发有效解决了二氧化碳电还原的液体产物分离问题，能够持续稳定地为微生物发酵提供液体电子载体。

微生物的优势是产物多样性很高，可以合成很多人工无法产生或者效率很低的化合物。

曾杰说:“接下来，我们将进一步研究电催化和生物发酵的相容性和兼容性。”将来如果要合成淀粉，做颜料，生产药物等。，我们只需要保持电催化设施不变，更换发酵用的微生物。

来自|人民日报(2022年04月29日11版)记者:吴

来源:人民网