利用二氧化碳高效、可持續(xù)地合成高能量羰基長(zhǎng)鏈化合物仍是目前科技界面臨的一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。近期，我國(guó)科學(xué)家通過將電催化與生物合成相結(jié)合，成功實(shí)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(guó)際期刊《自然·催化》上。這項(xiàng)研究為利用二氧化碳合成高價(jià)值長(zhǎng)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(dǎo)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(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)下，近年來，各國(guó)一直致力于減少二氧化碳排放，以及對(duì)所排放的二氧化碳進(jìn)行回收利用技術(shù)的研發(fā)。將二氧化碳進(jìn)行各方面的合成利用，是未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。如何以低成本還原二氧化碳合成有機(jī)物，是當(dāng)前的熱門領(lǐng)域。

　　2016年，德國(guó)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(shí)間，通過對(duì)9種生物（包括細(xì)菌、古生菌、植物和人類）的篩選、測(cè)試和設(shè)計(jì)，精心挑選了17種酶化合物，將它們整合到一個(gè)單一的協(xié)作途徑中，實(shí)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(jī)化合物。該研究創(chuàng)建了一個(gè)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(guó)科學(xué)家在合成生物學(xué)領(lǐng)域取得重大突破，在國(guó)際上首次在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的從頭合成。中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所所長(zhǎng)馬延和指出，植物合成淀粉的化學(xué)本質(zhì)就是太陽能還原碳，然后逐步從簡(jiǎn)單的分子聚合到復(fù)雜分子的生化過程。

　　日前，由電子科技大學(xué)夏川課題組、中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院于濤課題組與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(jìn)一步利用微生物可以合成葡萄糖和脂肪酸。

　　中國(guó)科學(xué)院科技促進(jìn)發(fā)展局副局長(zhǎng)許航表示，“我們認(rèn)識(shí)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(dòng)力。生命科學(xué)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(xué)科交叉融合等成為生命科學(xué)研究和生物技術(shù)創(chuàng)新的強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)力，必將對(duì)未來的知識(shí)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(fēng)”肯定喝不飽，但如果把“西北風(fēng)”里的二氧化碳變成糧食呢？科學(xué)家一直希望能把“無用”的工業(yè)廢氣二氧化碳轉(zhuǎn)化成對(duì)人們有用的“糧食”。要把設(shè)想變成現(xiàn)實(shí)，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(guó)科技大學(xué)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(shí)現(xiàn)這個(gè)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(zhǔn)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(yīng)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(jìn)一步分離的純乙酸水溶液。”電子科技大學(xué)教授夏川介紹，利用該裝置，能制備純度達(dá)97%的乙酸水溶液。

　　第三步，在得到乙酸后，研究者們開始嘗試?yán)冕劸平湍高@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(shí)也因其優(yōu)秀的工業(yè)屬性，常被用作微生物制造與細(xì)胞生物學(xué)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(jí)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(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員于濤說，為了進(jìn)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(qiáng)它本身積累葡萄糖的能力。于是，研究人員又敲除了兩個(gè)疑似具備代謝葡萄糖能力的酶元件，同時(shí)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(dá)到每升2.2克，產(chǎn)量提高了30%。

產(chǎn)業(yè)之路仍需面對(duì)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(huì)變得越來越高。人工合成永遠(yuǎn)達(dá)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(shí)，發(fā)揮十分重要的作用。尤其是當(dāng)人類消費(fèi)總是會(huì)超過自然可持續(xù)資源，甚至超過數(shù)倍時(shí)。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(jià)的可再生碳源，通過車間制造來實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)，將會(huì)節(jié)約大量的土地和水資源以及消除對(duì)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(guó)科學(xué)院院士、上海交通大學(xué)微生物代謝國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任鄧子新認(rèn)為，這項(xiàng)研究工作開辟了電化學(xué)結(jié)合活細(xì)胞催化制備葡萄糖等糧食產(chǎn)物的新策略，為進(jìn)一步發(fā)展基于電力驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、創(chuàng)造新市場(chǎng)的道路上肯定會(huì)遇到各種困難，會(huì)遇到技術(shù)、市場(chǎng)、資金等各方面的風(fēng)險(xiǎn)。一個(gè)產(chǎn)品從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)，資金、技術(shù)、市場(chǎng)、時(shí)機(jī)，缺一不可。在這個(gè)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(guó)民經(jīng)濟(jì)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(wù)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(shí)驗(yàn)室中以二氧化碳為原料合成有機(jī)物的一次新突破，該團(tuán)隊(duì)下一步計(jì)劃是研究電催化與生物發(fā)酵這兩個(gè)平臺(tái)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(shí)，只需保持電催化系統(tǒng)設(shè)施不改變，更換發(fā)酵使用的微生物即可實(shí)現(xiàn)。但是，走向產(chǎn)業(yè)化仍困難重重，這項(xiàng)成果尚處于實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)研究階段，如果要推向?qū)嶋H應(yīng)用，還需要進(jìn)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）