二氧化碳能组成葡萄糖和脂肪酸 

我国科学家最新研讨标明，经过电催化结合生物组成的方法，将二氧化碳高效复原组成高浓度乙酸，进一步使用微生物能够组成葡萄糖和脂肪酸。该效果以封面文章形式，于北京时刻4月28日发表于世界期刊《天然·催化》上。这项打破为人工和半人工组成“粮食”供给了新技能，为进一步开展根据电力驱动的新式农业与生物制作业供给了新典范。

上一年9月，我国科学家在组成生物学范畴取得重大打破，在世界上首次在试验室完成了二氧化碳到淀粉的从头组成。那么，二氧化碳除了能够组成淀粉，还能组成其他东西吗？

日前，由电子科技大学夏川课题组、中国科学院深圳先进技能研讨院于涛课题组与中国科学技能大学曾杰课题组共同完成的最新研讨标明，经过电催化结合生物组成的方法，将二氧化碳高效复原组成高浓度乙酸，进一步使用微生物能够组成葡萄糖和脂肪酸。

北京时刻4月28日，该效果以封面文章形式发表于世界期刊《天然·催化》上。“该作业为人工和半人工组成‘粮食’供给了新技能。”中国科学院院士、中国化学会催化专业委员会主任李灿说。

二氧化碳先转化为一氧化碳，再组成乙酸

二氧化碳终究怎么组成葡萄糖和脂肪酸？

“首要，咱们需要把二氧化碳转化为可供微生物使用的‘质料’，方便微生物发酵。”曾杰说，清洁、高效的电催化技能能够在常温常压条件下作业，是完成这个进程的抱负选择。

至于要转化为哪种“质料”，研讨人员将目光瞄准了乙酸。因为乙酸不只是食醋的主要成分，也是一种优秀的生物组成碳源，能够转化为葡萄糖等其他生物物质。

“二氧化碳直接电解能够得到乙酸，但功率不高，所以咱们决议分两步——先高效得到一氧化碳，再从一氧化碳到乙酸。”曾杰说。

目前，一氧化碳到乙酸的电组成功率（即乙酸法拉第功率）和纯度不尽如人意。对此，科研人员发现，一氧化碳经过脉冲电化学复原工艺形成的晶界铜催化组成乙酸法拉第功率可达52%。

“实践出产中，提高电流能够提高功率，但是可能会降低法拉第功率。”夏川说，就比如把每天的作业时刻从8小时延长到12小时，尽管时刻更久，但作业功率反而会下降。“因而，咱们把最高偏电流密度提高到321mA/cm2（毫安/平方厘米）时，乙酸法拉第功率仍保持在46%，能够较好地保持高电流和高法拉第功率的平衡。”

不过，常规电催化设备出产出的乙酸混合着很多电解质盐，无法直接用于生物发酵。所以，为了“喂饱”微生物，不只要提高转化功率，保证“食物”的数量，还要得到不含电解质盐的纯乙酸，保证“食物”的质量。

“咱们使用新式固态电解质反应设备，使用固态电解质替代本来的电解质盐溶液，直接得到了无需进一步分离的纯乙酸水溶液。”夏川介绍，使用该设备，能超140小时连续制备纯度达97%的乙酸水溶液。

把乙酸“喂”给酿酒酵母，生成葡萄糖和脂肪酸

得到乙酸后，科研人员开始尝试使用酿酒酵母这一微生物来组成葡萄糖。

“酿酒酵母主要用于奶酪、馒头、酒等食品的发酵，一同也常被用作微生物制作与细胞生物学研讨的形式生物。”于涛说，使用酿酒酵母经过乙酸来组成葡萄糖的进程，就像是微生物在“吃醋”。酿酒酵母经过不断地“吃醋”来组成葡萄糖。

但是，在这个进程中，酿酒酵母本身也会代谢掉一部分葡萄糖，所以产值并不高。为了处理这一问题，科研团队经过敲除酿酒酵母中代谢葡萄糖的3个要害酶元件，废弃了酿酒酵母代谢葡萄糖的才能。敲除之后，试验中的工程酵母菌株在摇瓶发酵的条件下，组成的葡萄糖产值到达1.7g/L（克/升）。

“使用形式生物酿酒酵母‘从无到有’的在克级水平组成葡萄糖，这代表了该方法较高的出产水平与开展潜力。”于涛说，为了进一步提高组成的葡萄糖产值，不只要废弃酿酒酵母代谢葡萄糖的才能，还要加强它本身积累葡萄糖的才能。

于是，科研人员又敲除了两个疑似具有代谢葡萄糖才能的酶元件，一同刺进来自泛菌属和大肠杆菌的葡萄糖磷酸酶元件。

于涛表明，这两种酶能够将酵母体内其他通路中的磷酸分子转化为葡萄糖，加强了酵母菌积累葡萄糖的才能。经过改造后的工程酵母菌株的葡萄糖产值到达2.2g/L，产值提高了30%。

在使用乙酸制备脂肪酸的进程中，研讨人员经过类似的基因编辑技能，强化了酵母细胞生成脂肪酸的才能。经过改造后的酵母菌株对脂肪酸的产值到达448.5mg/L（毫克/升）。

新式催化方法，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试验室主任邓子新认为，这项研讨作业拓荒了电化学结合活细胞催化制备葡萄糖等粮食产品的新策略，为进一步开展根据电力驱动的新式农业与生物制作业供给了新典范，是二氧化碳使用方面的重要方向。

近年来，跟着新能源发电的敏捷兴起，二氧化碳电复原技能现已具有与依赖化石能源的传统化工工艺竞争的潜力。因而，研讨关于二氧化碳电复原制备高附加值化学品及燃料的高效工艺，被学界认为是完成零碳排放的重要研讨方向之一。

目前，怎么高效、可继续地将二氧化碳转化为富含能量的长链分子仍是巨大挑战。

夏川说：“为了规避二氧化碳电复原的产品局限性，可考虑将二氧化碳电复原进程与生物进程相耦合，以电催化产品作为电子载体，供微生物后续发酵组成长碳链的化学产品，从而用于出产和生活。”

适宜的电子载体对微生物发酵至关重要。因为二氧化碳电复原的气相产品均难溶于水，生物使用功率低，因而优先选择二氧化碳电复原的液相产品作为生物发酵的电子载体。但是，普通电化学反应器中所得的液体产品是与电解质盐混在一同的混合物，不能直接用于生物发酵。固态电解质反应器的开发有效处理了二氧化碳电复原液体产品分离的问题，能够连续稳定地为微生物发酵供给液态电子载体。

微生物的优点是产品多样性很高，能够组成许多无法经过人工出产或人工出产功率很低的化合物。

曾杰表明：“接下来，咱们将进一步研讨电催化与生物发酵这两个渠道的同配性和兼容性。”未来如果要组成淀粉、制作色素、出产药物等，只需保持电催化设备不改变，替换发酵使用的微生物就能完成。