我國科學家首次實現(xiàn)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(shù)的研發(fā)。在去年，我國科學家在合成生物學領(lǐng)域取得重大突破，在國際上首次在實驗室實現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的從頭合成。

而在近日，據(jù)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(shù)研究院于濤課題組與中國科學技術(shù)大學曾杰課題組共同完成的最新研究表明，通過電催化結(jié)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(fā)表于國際期刊《自然·催化》上。

據(jù)悉，在研究中，曾教授表示，醋酸不僅是醋的主要成分，還是優(yōu)良的生物合成碳源之一。它可以轉(zhuǎn)化為生命中的其他物質(zhì)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)化為CO，然后開發(fā)了一種富晶界Cu (GB_Cu)催化劑，用于通過電化學CO還原生產(chǎn)乙酸鹽。

在使用1.0 M KOH水性電解質(zhì)的典型三電極流通池反應(yīng)器中，GB_Cu在-0.67 V時表現(xiàn)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(fā)了一種帶有厚陰離子交換膜的多孔固體電解質(zhì)反應(yīng)器設(shè)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(xù)穩(wěn)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(fā)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(yǎng)”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(chǎn)率。在喂食純乙酸的釀酒酵母中也觀察到類似的結(jié)果。

此外，通過滴定電解醋酸鹽的方法，“喂入”用于生產(chǎn)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(jié)合活細胞催化制備葡萄糖等糧食產(chǎn)物的新策略，為進一步發(fā)展基于電力驅(qū)動的新型農(nóng)業(yè)與生物制造業(yè)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(guān)研究論文發(fā)表在《自然·催化》上。

標簽： 電解二氧化碳 二氧化碳轉(zhuǎn)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