論文題目：Upcycling CO2 into energy-rich long-chain compounds via electrochemical and metabolic engineering

論文作者：鄭婷婷  江秋  曾杰  于濤  夏川

獲獎等次：第三屆川渝科技學(xué)術(shù)大會優(yōu)秀論文一等獎

將二氧化碳轉(zhuǎn)化成“糖和油”，你敢想象嗎？

電子科技大學(xué)可持續(xù)能源與催化團(tuán)隊(duì)帶來的論文“Upcycling CO2 into energy-rich long-chain compounds via electrochemical and metabolic engineering”（《電化學(xué)耦合生物合成實(shí)現(xiàn)二氧化碳轉(zhuǎn)化制備葡萄糖和脂肪酸》）將這一想象變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，并獲評第三屆川渝科技學(xué)術(shù)大會優(yōu)秀論文一等獎。此前，論文以封面文章形式發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然—催化》上。

據(jù)悉，這是團(tuán)隊(duì)依托電子科技大學(xué)材料與能源學(xué)院開展的“基于新能源的電催化小分子轉(zhuǎn)化制備高附加值化學(xué)品”研究，致力于利用清潔能源實(shí)現(xiàn)人工碳循環(huán)。成果由電子科技大學(xué)夏川課題組領(lǐng)銜，聯(lián)合中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院于濤課題組、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)曾杰課題組共同完成。

奇妙的轉(zhuǎn)化是如何發(fā)生的？研究團(tuán)隊(duì)突破了哪些關(guān)鍵難題？記者采訪了電子科技大學(xué)課題組夏川教授。

夏川（中）在實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)學(xué)生    

電還原+生物發(fā)酵將二氧化碳變成“糖”

“就像紗線織成布再做成衣，二氧化碳也要先轉(zhuǎn)化成乙酸，再合成更復(fù)雜的化合物。”夏川簡要類比其中原理，“第一步通過人工方法高效催化二氧化碳和水得到乙酸，第二步再用乙酸發(fā)酵活細(xì)胞轉(zhuǎn)化為其它生物物質(zhì)，就能實(shí)現(xiàn)‘用二氧化碳和水合成高能長鏈?zhǔn)称贩肿?rsquo;的全過程。”

第一步，研究團(tuán)隊(duì)首先需要把二氧化碳轉(zhuǎn)化為可供微生物利用的“原料”才能方便微生物發(fā)酵。”夏川介紹，清潔、高效的電催化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這一過程的理想選擇。

至于要轉(zhuǎn)化為哪種“原料”，研究團(tuán)隊(duì)將目光瞄準(zhǔn)了乙酸，因?yàn)橐宜岵粌H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)化為葡萄糖等其它生物物質(zhì)。夏川介紹，常規(guī)的電解質(zhì)裝置產(chǎn)出的乙酸混合很多電解質(zhì)鹽，無法直接用于微生物發(fā)酵，微生物直接“食用”會“中毒”，變得“無精打采”甚至死亡。所以，為了“喂飽”微生物，不僅要提升轉(zhuǎn)化效率，保證“食物”的數(shù)量，還要得到不含電解質(zhì)鹽的純乙酸，保證“食物”的質(zhì)量。

于是，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款新型固態(tài)電解質(zhì)裝置，能將二氧化碳高效催化成一氧化碳，再通過晶界銅將一氧化碳催化合成純乙酸，為微生物提供穩(wěn)定可靠的“食物”。

得到乙酸后，研究團(tuán)隊(duì)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、酒等食品的發(fā)酵，同時(shí)也常被用作微生物制造與細(xì)胞生物學(xué)研究的模式生物。”夏川介紹，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。

但在第二步利用釀酒酵母將乙酸轉(zhuǎn)化為葡萄糖時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)其自身在合成葡萄糖的同時(shí)也在代謝葡萄糖，就像做菜時(shí)如果一邊做一邊吃，永遠(yuǎn)無法上滿一桌子菜。于是，研究團(tuán)隊(duì)敲除酵母菌5個(gè)代謝葡萄糖的基因，廢除其代謝葡萄糖的能力，同時(shí)插入兩個(gè)外源基因，使細(xì)胞中其它物質(zhì)也轉(zhuǎn)化為葡萄糖，大大增加了酵母菌積累葡萄糖的能力。

除了生產(chǎn)葡萄糖，研究人員還通過類似的思路，增加了酵母細(xì)胞生產(chǎn)脂肪酸的能力。中國科學(xué)院院士、上海交通大學(xué)微生物代謝國家重點(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。

新型催化方式助力高附加值化合物生產(chǎn)

近年來，隨著新能源發(fā)電的迅速崛起，二氧化碳電還原技術(shù)已具備與依賴化石能源的傳統(tǒng)化工工藝競爭的潛力。因此，研究關(guān)于二氧化碳電還原制備高附加值化學(xué)品及燃料的高效工藝，被學(xué)界認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)零碳排放的重要研究方向之一。

目前，如何高效、可持續(xù)地將二氧化碳轉(zhuǎn)化為富含能量的長鏈分子仍是巨大挑戰(zhàn)。夏川告訴記者：“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(xué)產(chǎn)品，進(jìn)而用于生產(chǎn)和生活。”

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。然而，普通電化學(xué)反應(yīng)器中所得的液體產(chǎn)物是與電解質(zhì)鹽混在一起的混合物，不能直接用于生物發(fā)酵。鑒于此，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的固態(tài)電解質(zhì)反應(yīng)器有效解決了二氧化碳電還原液體產(chǎn)物分離的問題，可以連續(xù)穩(wěn)定地為微生物發(fā)酵提供液態(tài)電子載體。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)課題組曾杰教授介紹，微生物的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)物多樣性很高，能夠合成許多無法通過人工生產(chǎn)或人工生產(chǎn)效率很低的化合物。研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)聯(lián)合研究電催化與生物發(fā)酵這兩個(gè)平臺的同配性和兼容性，“未來如果要合成淀粉、制造色素、生產(chǎn)藥物等，只需保持電催化設(shè)施不改變，更換發(fā)酵使用的微生物就能實(shí)現(xiàn)。”

中國科學(xué)院院士、中國催化專業(yè)委員會主任李燦認(rèn)為，這一研究耦合人工電催化與生物酶催化過程，發(fā)展了一條由水和二氧化碳到含能化學(xué)小分子乙酸，后經(jīng)工程改造的酵母微生物催化合成葡萄糖和游離的脂肪酸等高附加值產(chǎn)物的新途徑，為人工和半人工合成“糧食”提供了新技術(shù)。