二氧化碳除了可以“變”淀粉，還能“變”其他東西嗎？繼去年成功全人工合成淀粉之后，我國科學家再獲突破，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油脂。
4月28日，這項成果以封面文章形式發表于《自然—催化》上。
▲通過電化學耦合生物發酵實現將二氧化碳和水轉化為長鏈產品的示意圖
“該工作為人工和半人工合成‘糧食’提供了新的技術?！敝袊茖W院院士、中國催化專業委員會主任李燦研究員評價道。
“首先，我們需要把二氧化碳轉化為可供微生物利用的原料，方便微生物發酵?！闭撐耐ㄓ嵶髡咧?、中國科學技術大學教授曾杰介紹，清潔、高效的電催化技術可以在常溫常壓條件下工作，是實現這個過程的理想選擇，為此他們已經發展了很多成熟的電催化劑體系。
為了更好通向“糖與油”之路，二氧化碳應該轉化為哪種“原料”最合適？研究人員將目光瞄準了乙酸——它不僅是食醋的主要成分，也是一種優秀的生物合成碳源，可以轉化為葡萄糖等其他生物物質。
盡管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?！痹芙忉?。
可是，目前一氧化碳到乙酸的電合成效率（即乙酸法拉第效率）和純度依舊不盡如人意。對此，研究人員發現，由一氧化碳催化形成乙酸鹽，特異性地受催化劑表面幾何形狀影響，一氧化碳通過脈沖電化學還原工藝形成的晶界銅催化合成乙酸法拉第效率可達52%。
“實際生產中，提升電流可以提升功率，但是可能降低法拉第效率?！闭撐耐ㄓ嵶髡咧?、電子科技大學教授夏川說，就好比把每天的工作時間從8小時延長到12小時，雖然上班更久，但工作效率反而會下降?！拔覀儼炎罡咂娏髅芏忍嵘?21
mA/cm2（毫安每平方厘米）時，乙酸法拉第效率仍保持在46%，能夠較好地保持‘高電流’和‘高法拉第效率’的平衡?！?/span>
不過，常規電催化裝置生產出的乙酸混合著很多電解質鹽，無法直接用于生物發酵。所以，人員還要得到高純度的乙酸，保證微生物的“食物”的質量。
“我們利用新型固態電解質反應裝置，使用固態電解質代替原本的電解質鹽溶液，直接得到了無需進一步分離的純乙酸水溶液?！毕拇ń榻B，利用該裝置，能夠超140小時連續制備純度達97%的乙酸水溶液。
得到乙酸后，研究者們嘗試利用釀酒酵母這一微生物來合成葡萄糖。
“釀酒酵母主要用于奶酪、饅頭、釀酒等發酵行業，同時也因其優秀的工業屬性，常被用作微生物制造與細胞生物學研究的模式生物?！敝袊茖W院深圳先進技術研究院研究員于濤說，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”，通過不斷地“吃醋”來合成葡萄糖。
然而，釀酒酵母不僅會“吃醋”，也會吃葡萄糖，這就會影響產量。對此，研究團隊敲除了釀酒酵母中代謝葡萄糖的三個關鍵酶元件——Glk1、Hxk1和Hxk2，“廢除”了釀酒酵母代謝葡萄糖的能力。
敲除之后，實驗中的工程酵母菌株在搖瓶發酵的條件下，合成的葡萄糖產量達到1.7 g/L。不過，科學家還不滿意，為了進一步提升合成的葡萄糖產量，他們還要加強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。
于濤表示，這兩種酶可以“另辟蹊徑”，將酵母體內其他通路中的磷酸分子轉化為葡萄糖，增加了酵母菌積累葡萄糖的能力。經過改造后的工程酵母菌株的葡萄糖產量達到2.2 g/L，產量提高了30%！
游離脂肪酸是一類C8-C18組成的長鏈多碳化合物總稱，因其在生產油脂化學品和生物燃料生產方面的潛在用途而受到廣泛關注。目前有關游離脂肪酸生產研究主要以葡萄糖為底物，研究人員以電催化合成乙酸為底物，在構建的產脂肪酸菌株中合成脂肪酸，合成脂肪酸含量檢測可達448.5
mg/L,
近年來，隨著新能源發電的迅速崛起，電力成本下降，二氧化碳電還原技術已經具備與依賴化石能源的傳統化工工藝競爭的潛力。高效的二氧化碳電還原制備高附加值化學品和燃料的工藝，被學界認為是建設未來“零碳排放”物質轉化的重要研究方向之一。
學界將“高效、可持續地將二氧化碳轉化為富含能量的碳基長鏈分子”作為一個巨大的挑戰?！盀榱艘幈芏趸茧娺€原的產物局限性，可考慮以電催化產物作為電子載體，供微生物后續發酵合成長碳鏈的化學產品?！毕拇ㄕf。
曾杰表示，“通過電催化結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，我們將進一步研究電催化與生物發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、生產藥物等，只需保持電催化設施不改變，更換發酵使用的微生物就能實現。
“該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發展方向?！敝袊茖W院院士、上海交通大學微生物代謝國家重點實驗室主任鄧子新評價道。
鄭婷婷、張夢露、吳良煥為論文的共同第一作者，曾杰、于濤、夏川為共同通訊作者。
