4月28日(ri)，我系曾杰課(ke)題(ti)(ti)組與電子科技大學材(cai)料與能(neng)源學院的夏川(chuan)課(ke)題(ti)(ti)組、中國科學院深圳(zhen)先進技術研(yan)究院合成生(sheng)物學研(yan)究所于(yu)濤課(ke)題(ti)(ti)組合作，在Nature Catalysis發表了題(ti)(ti)為(wei)“Upcycling CO2into energy-rich long-chain products via electrochemical and metabolic engineering”的(de)文章。該工作首先通過電催(cui)化將(jiang)二(er)氧化碳(tan)(tan)和水合成高純乙(yi)酸，再以乙(yi)酸及(ji)乙(yi)酸鹽為碳(tan)(tan)源(yuan)經(jing)生物發酵合成葡萄糖和脂肪酸等(deng)長碳(tan)(tan)鏈分子。在(zai)該研究中，曾(ceng)杰為共(gong)同通訊作者(zhe)。
隨著(zhu)新(xin)能源發電的(de)迅(xun)速崛起，電力成本下降，電合成技術已經具備(bei)與依(yi)賴化(hua)(hua)(hua)石(shi)能源的(de)傳統化(hua)(hua)(hua)工工藝(yi)競爭的(de)潛(qian)力。其中，二氧(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)電還(huan)原(yuan)技術使(shi)用(yong)清潔電能將溫室氣體二氧(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)轉化(hua)(hua)(hua)為(wei)高(gao)附(fu)加值化(hua)(hua)(hua)學品，對緩解資源短缺具有重(zhong)大(da)意義。但目前對二氧(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)電還(huan)原(yuan)技術的(de)研究大(da)多局(ju)限于一碳(tan)(tan)和(he)二碳(tan)(tan)等小分(fen)子(zi)產物，如何高(gao)效、可持續地將二氧(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)轉化(hua)(hua)(hua)為(wei)富(fu)含能量的(de)碳(tan)(tan)基長鏈分(fen)子(zi)仍然(ran)是一個巨大(da)的(de)挑戰。
為了規避二(er)氧化(hua)碳電(dian)還(huan)原(yuan)(yuan)的(de)產物(wu)(wu)(wu)局限(xian)性(xing)，可考慮(lv)將二(er)氧化(hua)碳電(dian)還(huan)原(yuan)(yuan)過程與(yu)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)過程相耦合(he)，以電(dian)催化(hua)產物(wu)(wu)(wu)作為電(dian)子載(zai)體(ti)供(gong)微生(sheng)物(wu)(wu)(wu)后(hou)續發(fa)酵合(he)成長碳鏈的(de)化(hua)學產品用于生(sheng)產和生(sheng)活。而選擇合(he)適的(de)電(dian)子載(zai)體(ti)對微生(sheng)物(wu)(wu)(wu)發(fa)酵至(zhi)關重(zhong)要。由于二(er)氧化(hua)碳電(dian)還(huan)原(yuan)(yuan)的(de)氣相產物(wu)(wu)(wu)均(jun)難(nan)溶于水(shui)，生(sheng)物(wu)(wu)(wu)利(li)用效率低(di)，因此(ci)優(you)先選擇二(er)氧化(hua)碳電(dian)還(huan)原(yuan)(yuan)的(de)液相產物(wu)(wu)(wu)作為生(sheng)物(wu)(wu)(wu)發(fa)酵的(de)電(dian)子載(zai)體(ti)。其中，乙酸是一種優(you)秀(xiu)的(de)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)合(he)成碳源，可以經發(fa)酵轉化(hua)為葡萄(tao)糖等其他生(sheng)物(wu)(wu)(wu)物(wu)(wu)(wu)質。
直接電催化轉化二氧化碳到乙酸存在著反應速率慢、產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化和反應器設計，先將二氧化碳高效轉化為一氧化碳中間體，再基于固態電解質反應器通過晶界銅催化劑高選擇性地合成純乙酸。乙酸作為優秀的生物合成碳源之一，在細胞體內能有效地轉化為乙酰輔酶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-生物合成結合，且使用巧妙的空間解偶聯方式達成電催化上游合成底物，生物合成下游產物轉化延伸，實現了“用二氧化碳和水合成葡萄糖和脂肪酸”的全過程。
圖1體(ti)外二(er)氧化碳人工合成高能(neng)長(chang)鏈(lian)食品(pin)分子示意圖
精確控制C1分子實現C-C偶聯合成特定C2化合物是當前電催化合成的難點。研究人員發現電催化C1分子合成乙酸特異性地受催化劑表面幾何結構影響，并通過理論模擬發現晶界結構能有效提高C1分子轉化效率。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%[1]。然后將收集的一氧化碳經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%。為降低液體產物與電解質溶液及相關副產物分離成本和方便產物乙酸的下游利用，研究人員進一步開發了多孔固態電解質反應器[2]，使(shi)陰極(ji)得(de)到(dao)的(de)乙(yi)酸(suan)根與(yu)陽極(ji)得(de)到(dao)的(de)氫離子結(jie)合形成高純(chun)乙(yi)酸(suan)水溶液，無須分離提純(chun)可直接(jie)用于下游生物發酵。通過新型電解(jie)裝置測(ce)試(shi)，催(cui)化劑可在(zai)250毫安(an)每平(ping)方(fang)厘米(mi)偏電流密度條件連續(xu)140小(xiao)時(shi)制(zhi)得(de)純(chun)度為97%的(de)乙(yi)酸(suan)水溶液，從而解(jie)決(jue)了電合成過程中“濃度”與(yu)“純(chun)度”兩個關(guan)鍵難(nan)點(dian)。如圖2所示。
圖2晶界銅催化CO還原合(he)成乙(yi)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合成草酰乙酸經糖異生途徑形成葡萄糖-6-磷酸。研究人員將釀酒酵母中三個己糖激酶（Glk1、Hxk1、Hxk2）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，敲除三個己糖激酶后，工程菌株在搖瓶發酵條件下，葡萄糖產量為1.7 g/L。之后，繼續敲除兩個假定己糖激酶（YLLR446W, EMI2），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，葡糖(tang)糖(tang)產量達2.2 g/L,產量提高30%。
圖3釀酒酵(jiao)母菌株工程(cheng)改造
研究人員分(fen)別以電(dian)催化合(he)(he)成乙酸及乙酸鹽為唯(wei)一碳(tan)源，分(fen)批補(bu)料添加(jia)方式，利用產糖(tang)釀酒酵(jiao)母(mu)合(he)(he)成葡(pu)萄糖(tang)，如圖4所(suo)示(shi)，乙酸鹽和乙酸為碳(tan)源分(fen)別合(he)(he)成葡(pu)萄糖(tang)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，因其在生產油脂化學品和生物燃料生產方面的潛在用途而受到廣泛關注[3]。目前(qian)有(you)關游離脂(zhi)(zhi)(zhi)肪(fang)酸生產(chan)研究主(zhu)要以(yi)葡(pu)萄糖(tang)為底物(wu)，研究人員以(yi)電催化(hua)合成(cheng)乙酸為底物(wu)，在構建的產(chan)脂(zhi)(zhi)(zhi)肪(fang)酸菌株(zhu)中合成(cheng)脂(zhi)(zhi)(zhi)肪(fang)酸，合成(cheng)脂(zhi)(zhi)(zhi)肪(fang)酸含量檢測可達448.5 mg/L,不同碳(tan)鏈長度脂(zhi)(zhi)(zhi)肪(fang)酸含量如圖(tu)4所示(shi)。
圖4以乙(yi)(yi)酸鹽及(ji)乙(yi)(yi)酸為碳源(yuan)合(he)成葡萄糖及(ji)脂肪酸
此項工作得到國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金項目、安徽省面上攻關、四川省中央引導地方-自由探索項目、電子科技大學啟動基金以及深圳合成生物學創新研究院的支持。
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