利用二氧化碳高效、可持續(xù)地合成高能量羰基長鏈化合物仍是目前科技界面臨的一項巨大的挑戰(zhàn)。近期，我國科學家通過將電催化與生物合成相結(jié)合，成功實現(xiàn)了以二氧化碳和水為原料合成葡萄糖和脂肪酸。研究成果發(fā)表在國際期刊《自然·催化》上。這項研究為利用二氧化碳合成高價值長鏈脂肪酸提供了新方法，讓人工可控合成“糧食”成為可能。

二氧化碳回收利用技術(shù)成熱門領(lǐng)域

　　二氧化碳是一種常見的溫室氣體，可導致氣溫升高和海平面升高。數(shù)據(jù)顯示，每年釋放到大氣中的二氧化碳有數(shù)百億噸。在 “碳達峰”和“碳中和”目標的驅(qū)動下，近年來，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)。將二氧化碳進行各方面的合成利用，是未來發(fā)展的必然趨勢。如何以低成本還原二氧化碳合成有機物，是當前的熱門領(lǐng)域。

　　2016年，德國馬克斯·普朗克陸地微生物研究所的研究人員用了兩年多的時間，通過對9種生物（包括細菌、古生菌、植物和人類）的篩選、測試和設計，精心挑選了17種酶化合物，將它們整合到一個單一的協(xié)作途徑中，實現(xiàn)了比植物中的自然卡爾文循環(huán)（即光合作用）捕獲二氧化碳速度更快，并將二氧化碳轉(zhuǎn)化為葡萄糖等有機化合物。該研究創(chuàng)建了一個完全不同的合成策略。那就是先把二氧化碳轉(zhuǎn)化為可供微生物利用的原料，然后再通過微生物發(fā)酵的方式轉(zhuǎn)化為葡萄糖等產(chǎn)物。

　　去年9月，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。中國科學院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所所長馬延和指出，植物合成淀粉的化學本質(zhì)就是太陽能還原碳，然后逐步從簡單的分子聚合到復雜分子的生化過程。

　　日前，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成果表明，通過電催化結(jié)合生物合成的方式，將二氧化碳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。

　　中國科學院科技促進發(fā)展局副局長許航表示，“我們認識到，原創(chuàng)性、引領(lǐng)性基礎(chǔ)研究是生物領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新的基石，也是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心驅(qū)動力。生命科學和生物技術(shù)領(lǐng)域正在發(fā)生科研范式的重塑變革，人工智能與大數(shù)據(jù)、學科交叉融合等成為生命科學研究和生物技術(shù)創(chuàng)新的強大驅(qū)動力，必將對未來的知識創(chuàng)新和技術(shù)突破帶來重大影響。”

從無用的廢氣到有用的“糧食”

　　喝“西北風”肯定喝不飽，但如果把“西北風”里的二氧化碳變成糧食呢？科學家一直希望能把“無用”的工業(yè)廢氣二氧化碳轉(zhuǎn)化成對人們有用的“糧食”。要把設想變成現(xiàn)實，研究者們決定分“三步走”。

　　“首先，我們需要把二氧化碳轉(zhuǎn)化為可供微生物利用的‘原料’，方便微生物發(fā)酵。”中國科技大學教授曾杰說，清潔、高效的電催化技術(shù)可以在常溫常壓條件下工作，是實現(xiàn)這個過程的理想選擇。

　　至于要轉(zhuǎn)化為哪種“原料”，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(yōu)秀的生物合成碳源，可以轉(zhuǎn)化為葡萄糖等其他生物物質(zhì)。“我們利用新型固態(tài)電解質(zhì)反應裝置，使用固態(tài)電解質(zhì)代替原本的電解質(zhì)鹽溶液，直接得到了不必進一步分離的純乙酸水溶液。”電子科技大學教授夏川介紹，利用該裝置，能制備純度達97%的乙酸水溶液。

　　第三步，在得到乙酸后，研究者們開始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(fā)酵行業(yè)，同時也因其優(yōu)秀的工業(yè)屬性，常被用作微生物制造與細胞生物學研究的模式生物。”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”，釀酒酵母通過不斷地“吃醋”來合成葡萄糖。

　　“利用模式生物釀酒酵母‘從無到有’在克級水平合成了葡萄糖，這代表了該策略較高的生產(chǎn)水平與發(fā)展?jié)摿Α?rdquo;中國科學院深圳先進技術(shù)研究院研究員于濤說，為了進一步提升合成的葡萄糖產(chǎn)量，不僅要廢除釀酒酵母的能力，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。

　　兩種酶可以“另辟蹊徑”，將酵母體內(nèi)其他通路中的磷酸分子轉(zhuǎn)化為葡萄糖，增加了酵母菌積累葡萄糖的能力。經(jīng)過改造后的工程酵母菌株的葡萄糖產(chǎn)量達到每升2.2克，產(chǎn)量提高了30%。

產(chǎn)業(yè)之路仍需面對諸多挑戰(zhàn)

　　大自然的資源豐富多樣，人類能夠開發(fā)的總比率有限。但隨著開發(fā)比例逐漸升高，環(huán)保成本也會變得越來越高。人工合成永遠達不到自然資源的最低成本，但它卻能在自然資源成本過高時，發(fā)揮十分重要的作用。尤其是當人類消費總是會超過自然可持續(xù)資源，甚至超過數(shù)倍時。糧食生產(chǎn)的生產(chǎn)范式一直沒有變化。“如果我們能以廉價的可再生碳源，通過車間制造來實現(xiàn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)，將會節(jié)約大量的土地和水資源以及消除對環(huán)境的影響。”馬延和說。

　　此次二氧化碳生成葡萄糖和脂肪酸的方法采用了電催化結(jié)合生物合成的新型催化方式，可以有效提高碳的附加值。中國科學院院士、上海交通大學微生物代謝國家重點實驗室主任鄧子新認為，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。

　　新技術(shù)、新產(chǎn)品在實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、創(chuàng)造新市場的道路上肯定會遇到各種困難，會遇到技術(shù)、市場、資金等各方面的風險。一個產(chǎn)品從實驗室走向市場，資金、技術(shù)、市場、時機，缺一不可。在這個過程中，技術(shù)是關(guān)鍵因素，但不是成功的唯一要素。生物制造產(chǎn)業(yè)要發(fā)展成為國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，還有幾方面的問題需要解決：研發(fā)出核心技術(shù)的企業(yè)較少；生物制造的產(chǎn)業(yè)鏈較短；相關(guān)服務業(yè)態(tài)還未形成。

　　此次從二氧化碳合成葡萄糖和脂肪酸是實驗室中以二氧化碳為原料合成有機物的一次新突破，該團隊下一步計劃是研究電催化與生物發(fā)酵這兩個平臺的同配性和兼容性。未來，在生成任何物質(zhì)如淀粉和藥物時，只需保持電催化系統(tǒng)設施不改變，更換發(fā)酵使用的微生物即可實現(xiàn)。但是，走向產(chǎn)業(yè)化仍困難重重，這項成果尚處于實驗室的基礎(chǔ)研究階段，如果要推向?qū)嶋H應用，還需要進一步提高能量效率和產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。

　　（高娜 綜合整理）