撰文 | 吳良煥、鄭婷婷

2022年4月28日，電子科技大學材料與能源學院的 夏川 課題組與中國科學院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學研究所 于濤 課題組、中國科學技術(shù)大學 曾杰 課題組合作，在 Nature 子刊 Nature Catalysis 上發(fā)表了題為： Upcycling CO 2 into energy-rich long-chain products via electrochemical and metabolic engineering 的研究論文。

該工作首先通過電催化將二氧化碳和水合成高純乙酸，再以乙酸及乙酸鹽為碳源經(jīng)生物發(fā)酵合成葡萄糖和脂肪酸等長碳鏈分子。

鄭婷婷、張夢露、吳良煥為共同第一作者，曾杰、于濤、夏川為通訊作者

2021年以來，由于全球疫情蔓延和自然災(zāi)害頻發(fā)，能源危機和環(huán)境污染等問題不斷加劇，使用可持續(xù)能源產(chǎn)生的電力助力綠色化工合成吸引了越來越多的目光。而隨著新能源發(fā)電的迅速崛起，電力成本下降，電合成技術(shù)已經(jīng)具備與依賴化石能源的傳統(tǒng)化工工藝競爭的潛力。其中，二氧化碳電還原技術(shù)使用清潔電能將溫室氣體二氧化碳轉(zhuǎn)化為高附加值化學品，對緩解資源短缺具有重大意義。但目前對二氧化碳電還原技術(shù)的研究大多局限于一碳和二碳等小分子產(chǎn)物，如何高效、可持續(xù)地將二氧化碳轉(zhuǎn)化為富含能量的碳基長鏈分子仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

為了規(guī)避二氧化碳電還原的產(chǎn)物局限性，可考慮將二氧化碳電還原過程與生物過程相耦合，以電催化產(chǎn)物作為電子載體供微生物后續(xù)發(fā)酵合成長碳鏈的化學產(chǎn)品用于生產(chǎn)和生活。而選擇合適的電子載體對微生物發(fā)酵至關(guān)重要。由于二氧化碳電還原的氣相產(chǎn)物均難溶于水，生物利用效率低，因此優(yōu)先選擇二氧化碳電還原的液相產(chǎn)物作為生物發(fā)酵的電子載體。其中，乙酸是一種優(yōu)秀的生物合成碳源，可以經(jīng)發(fā)酵轉(zhuǎn)化為葡萄糖等其他生物物質(zhì)。

直接電催化轉(zhuǎn)化二氧化碳到乙酸存在著反應(yīng)速率慢、產(chǎn)物選擇性低和堿溶液吸收等諸多問題。鑒于一步法電解的局限性，研究人員提出兩步法電解的解決方案，即通過催化劑條件優(yōu)化和反應(yīng)器設(shè)計，先將二氧化碳高效轉(zhuǎn)化為一氧化碳中間體，再基于固態(tài)電解質(zhì)反應(yīng)器通過晶界銅催化劑高選擇性地合成純乙酸。乙酸作為優(yōu)秀的生物合成碳源之一，在細胞體內(nèi)能有效地轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A進入中樞代謝，通過糖異生、脂肪酸合成等通路實現(xiàn)碳鏈延伸，合成C6-C18等一系列長鏈多碳化合物。

如圖1所示，研究人員將電催化-生物合成結(jié)合，且使用巧妙的空間解偶聯(lián)方式達成電催化上游合成底物，生物合成下游產(chǎn)物轉(zhuǎn)化延伸，實現(xiàn)了“用二氧化碳和水合成葡萄糖和脂肪酸”的全過程。

圖1：體外二氧化碳人工合成高能長鏈食品分子示意圖

精確控制C1分子實現(xiàn)C-C偶聯(lián)合成特定C2化合物是當前電催化合成的難點。研究人員發(fā)現(xiàn)電催化C1分子合成乙酸特異性地受催化劑表面幾何結(jié)構(gòu)影響，并通過理論模擬發(fā)現(xiàn)晶界結(jié)構(gòu)能有效提高C1分子轉(zhuǎn)化效率。

首先，研究人員利用Ni-N-C單原子催化二氧化碳形成一氧化碳中間體，其法拉第效率近100%。然后將收集的一氧化碳經(jīng)脈沖電化學還原工藝形成的晶界銅催化合成乙酸。在氣體擴散流動池中，乙酸鹽法拉第效率最高可達52%；最高偏電流密度可達321毫安每平方厘米，此時乙酸鹽法拉第效率仍保持在46%。為降低液體產(chǎn)物與電解質(zhì)溶液及相關(guān)副產(chǎn)物分離成本和方便產(chǎn)物乙酸的下游利用，研究人員進一步開發(fā)了多孔固態(tài)電解質(zhì)反應(yīng)器，使陰極得到的乙酸根與陽極得到的氫離子結(jié)合形成高純乙酸水溶液，無須分離提純可直接用于下游生物發(fā)酵。通過新型電解裝置測試，催化劑可在250毫安每平方厘米偏電流密度條件連續(xù)140小時制得純度為97%的乙酸水溶液，從而解決了電合成過程中“濃度”與“純度”兩個關(guān)鍵難點。如圖2所示。

圖2：晶界銅催化CO還原合成乙酸

隨后，研究人員將電合成得到的高純乙酸溶液投喂給釀酒酵母，以期通過酵母的代謝工程進一步合成出葡萄糖等食品分子。為此，研究人員對釀酒酵母進行了基因編輯。釀酒酵母中，乙酰輔酶進入乙醛酸循環(huán)合成草酰乙酸經(jīng)糖異生途徑形成葡萄糖合成前體化合物葡萄糖-6-磷酸和葡萄糖-1-磷酸。研究人員將釀酒酵母中三個己糖激酶 （Glk1, Hxk1, Hxk2） 基因敲除，廢除釀酒酵母菌株利用葡萄糖能力，同時獲得葡萄糖“泄露”表型。如圖3所示，敲除三個己糖激酶基因后，工程菌株在搖瓶發(fā)酵條件下，葡萄糖產(chǎn)量為1.7 g/L。之后，繼續(xù)敲除兩個假定己糖激酶 （YLLR446W, EMI2） 基因，同時過表達來自泛菌屬的葡萄糖磷酸酶基因agpP和大腸桿菌的HAD4 （haloacid dehalogenase-like phosphatase 4） 基因yhix，提高酵母葡萄糖-1-磷酸和葡萄糖-6磷酸脫磷酸能力，促進葡萄糖生成，最終葡萄糖產(chǎn)量達2.2 g/L, 產(chǎn)量提高30%。

圖3：釀酒酵母菌株工程改造

研究人員分別以電催化合成乙酸及乙酸鹽為唯一碳源，分批補料添加方式，利用產(chǎn)糖釀酒酵母合成葡萄糖，如圖4所示，酵母利用乙酸鹽和乙酸為碳源合成葡萄糖產(chǎn)量分別為1.8 g/L、1.5 g/L。

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(chǎn)油脂化學品和生物燃料生產(chǎn)方面的潛在用途而受到廣泛關(guān)注。研究人員將釀酒酵母中的兩個長鏈脂肪?；o酶A合成酶 （Faa1, Faa4） 基因敲除，過表達了優(yōu)化的來自大腸桿菌的內(nèi)源硫酯酶基因tesA，使酵母具有產(chǎn)油表型。后續(xù)繼續(xù)敲除了脂肪酰基輔酶A氧化酶 （Pox1） 基因，并過表達了合成脂肪酸途徑上的重要的乙酰輔酶A羧化酶和兩個脂肪酸合成酶 （ACC1, FAS1, FAS2） 基因，使酵母自由脂肪酸產(chǎn)量得到不斷提高。研究人員以電催化合成乙酸為底物，在構(gòu)建的產(chǎn)脂肪酸菌株中合成脂肪酸，合成脂肪酸含量檢測后可達448.5 mg/L，不同碳鏈長度脂肪酸含量如圖4所示。

圖4：以乙酸鹽及乙酸為碳源合成葡萄糖及脂肪酸

論文鏈接 ：

https://www.nature.com/articles/s41929-022-00775-6

PI與課題組簡介：

于濤，博士生導師，中科院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學研究所研究員，國家重大人才工程（青年）專家，國家重點研發(fā)計劃青年項目首席科學家。實驗室致力于利用合成生物學方法解決可持續(xù)制造，綠色能源存儲與糧食安全等全球性的問題與挑戰(zhàn)。近五年來研究成果以第一作者或者通訊作者發(fā)表在 Cell、Nature Catalysis、Cell Research、Nature Communications 等專業(yè)期刊。

擬招聘具有分子生物學、微生物學、細胞生物學、生物化學、代謝工程、合成生物學等相關(guān)研究背景博士后2名，研究助理3名。有意申請者請將個人簡歷以郵件方式發(fā)送至tao.yu@siat.ac.cn。

實驗室主頁:

http://isynbio.siat.ac.cn/yutaolab/

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網(wǎng)址: Nature子刊：夏川/于濤/曾杰團隊實現(xiàn)CO?還原合成葡萄糖和脂肪酸 http://www.u1s5d6.cn/newsview794476.html