日期:[2022年05月09日]
-- 智慧生活报 --
版次:[A4]
“变”淀粉“变”葡萄糖“变”油脂
“百变”二氧化碳：从废物到粮食
将二氧化碳人工“变废为宝”，转化为高附加值化合物，是科技界持续攻关的重要领域。此前，我国科学家在国际上首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成。那么，二氧化碳除了可以“变”成淀粉以外，还能成为其他东西吗？答案是肯定的。
近日，我国科研人员通过电催化结合生物合成的方式，将二氧化碳高效还原合成高浓度乙酸，并进一步利用微生物合成葡萄糖和脂肪酸（油脂）。
先把二氧化碳“变”成醋
人造葡萄糖和油脂可以直接吃吗？对此，中国科学技术大学的曾杰给出了肯定回答：“经过后续纯化处理，可以食用。”
二氧化碳究竟是如何变成葡萄糖和油脂的？“首先，我们需要把二氧化碳转化为可供微生物利用的原料，方便微生物发酵。”曾杰介绍，在常温常压条件下，清洁、高效的电催化技术是实现这个过程的理想选择，他们就此发展了成熟的电催化剂体系。
至于要转化为哪种原料，研究人员将目光瞄准了乙酸，因为它不仅是食醋的主要成分，也是一种优秀的生物合成碳源，可以转化为葡萄糖等其他物质。“二氧化碳直接电解可以得到乙酸，但效率不高，所以我们采取‘两步走’的策略，先高效得到一氧化碳，再从一氧化碳得到乙酸。”曾杰说。
研究人员发现，一氧化碳通过脉冲电化学还原工艺形成的晶界铜催化合成乙酸的效率高达52%。不过，常规电催化装置生产出的乙酸混合着很多电解质盐，无法直接用于生物发酵。
为了“喂饱”微生物，不仅要提升转化效率，保证“食物”的数量，还要得到不含电解质盐的纯乙酸，以保证“食物”的质量。“我们利用新型固态电解质反应装置，使用固态电解质代替传统电催化技术中的电解质盐溶液，直接得到了无需进一步分离的纯乙酸水溶液。”夏川介绍。
微生物“吃醋”合成葡萄糖
得到乙酸后，研究人员尝试利用酿酒酵母这一微生物来合成葡萄糖。
“酿酒酵母主要用于奶酪、馒头、酿酒等发酵行业，因其优秀的工业属性，常被用作微生物制造与细胞生物学研究的模式生物。”中国科学院深圳先进技术研究院的于涛说，利用酿酒酵母通过乙酸来合成葡萄糖的过程就像是微生物在“吃醋”，酿酒酵母通过不断地“吃醋”来合成葡萄糖。“然而，在这一过程中，酿酒酵母本身也会代谢掉一部分葡萄糖，所以产量并不高。”于涛表示。
对此，研究团队通过敲除酿酒酵母中代谢葡萄糖的三个关键酶元件，废除了酿酒酵母代谢葡萄糖的能力。之后，实验中的工程酵母菌株在摇瓶发酵的条件下，合成的葡萄糖产量达到1.7g/L。
“我们利用这种生物酿酒酵母‘从无到有’地在克级水平合成了葡萄糖，这代表了该策略较高的生产水平与发展潜力。”于涛说，为进一步提升合成葡萄糖的产量，不仅要废除酿酒酵母的能力，还要加强其积累葡萄糖的能力。
于是，研究人员又敲除了两个疑似具备代谢葡萄糖能力的酶元件，同时插入来自泛菌属和大肠杆菌的葡萄糖磷酸酶元件。
于涛表示，泛菌属和大肠杆菌的葡萄糖磷酸酶元件可以“另辟蹊径”，将酵母体内其他通路中的磷酸分子转化为葡萄糖，增强了酵母菌积累葡萄糖的能力。经过改造后的工程酵母菌株的葡萄糖产量达到2.2g/L，产量提高了30%。
为人工合成“粮食”提供了新技术
近年来，随着新能源发电的迅速崛起，电力成本下降，二氧化碳电还原技术已经具备与传统化工工艺竞争的潜力。同时，微生物作为活细胞工厂，其优点是产物多样性很高，能够合成许多无法通过人工生产或人工生产效率很低的化合物，是非常丰富的“物质合成工具箱”，在白酒、馒头、抗生素等食品药品加工中，微生物就发挥着重要作用。“合成葡萄糖和油脂需要的电力和微生物有了保障，通过电催化结合生物合成的新型催化方式就有了坚实的根基。”夏川说。
中国科学院院士、中国催化专业委员会主任李灿研究员评价，这项工作耦合了人工电合成与生物合成，发展了一条由水和二氧化碳到含能化学小分子乙酸，然后经工程改造的酵母微生物催化合成葡萄糖和游离的脂肪酸等高附加值产物的新途径，为人工和半人工合成“粮食”提供了新的技术。“该工作开辟了电化学结合活细胞催化制备葡萄糖等粮食产物的新策略，为进一步发展基于电力驱动的新型农业与生物制造业提供了新范例，是二氧化碳利用方面的重要发展方向。”中国科学院院士、上海交通大学教授邓子新说。
曾杰也强调，这项成果尚处于基础研究阶段，推向实用还需要进一步提高能量效率和产率，降低生产成本。未来如果要合成淀粉、制造色素、生产药物等，只需保持电催化设施不变，更换发酵使用的微生物就能实现。 据《科技日报》
近日，我国科研人员通过电催化结合生物合成的方式，将二氧化碳高效还原合成高浓度乙酸，并进一步利用微生物合成葡萄糖和脂肪酸（油脂）。
先把二氧化碳“变”成醋
人造葡萄糖和油脂可以直接吃吗？对此，中国科学技术大学的曾杰给出了肯定回答：“经过后续纯化处理，可以食用。”
二氧化碳究竟是如何变成葡萄糖和油脂的？“首先，我们需要把二氧化碳转化为可供微生物利用的原料，方便微生物发酵。”曾杰介绍，在常温常压条件下，清洁、高效的电催化技术是实现这个过程的理想选择，他们就此发展了成熟的电催化剂体系。
至于要转化为哪种原料，研究人员将目光瞄准了乙酸，因为它不仅是食醋的主要成分，也是一种优秀的生物合成碳源，可以转化为葡萄糖等其他物质。“二氧化碳直接电解可以得到乙酸，但效率不高，所以我们采取‘两步走’的策略，先高效得到一氧化碳，再从一氧化碳得到乙酸。”曾杰说。
研究人员发现，一氧化碳通过脉冲电化学还原工艺形成的晶界铜催化合成乙酸的效率高达52%。不过，常规电催化装置生产出的乙酸混合着很多电解质盐，无法直接用于生物发酵。
为了“喂饱”微生物，不仅要提升转化效率，保证“食物”的数量，还要得到不含电解质盐的纯乙酸，以保证“食物”的质量。“我们利用新型固态电解质反应装置，使用固态电解质代替传统电催化技术中的电解质盐溶液，直接得到了无需进一步分离的纯乙酸水溶液。”夏川介绍。
微生物“吃醋”合成葡萄糖
得到乙酸后，研究人员尝试利用酿酒酵母这一微生物来合成葡萄糖。
“酿酒酵母主要用于奶酪、馒头、酿酒等发酵行业，因其优秀的工业属性，常被用作微生物制造与细胞生物学研究的模式生物。”中国科学院深圳先进技术研究院的于涛说，利用酿酒酵母通过乙酸来合成葡萄糖的过程就像是微生物在“吃醋”，酿酒酵母通过不断地“吃醋”来合成葡萄糖。“然而，在这一过程中，酿酒酵母本身也会代谢掉一部分葡萄糖，所以产量并不高。”于涛表示。
对此，研究团队通过敲除酿酒酵母中代谢葡萄糖的三个关键酶元件，废除了酿酒酵母代谢葡萄糖的能力。之后，实验中的工程酵母菌株在摇瓶发酵的条件下，合成的葡萄糖产量达到1.7g/L。
“我们利用这种生物酿酒酵母‘从无到有’地在克级水平合成了葡萄糖，这代表了该策略较高的生产水平与发展潜力。”于涛说，为进一步提升合成葡萄糖的产量，不仅要废除酿酒酵母的能力，还要加强其积累葡萄糖的能力。
于是，研究人员又敲除了两个疑似具备代谢葡萄糖能力的酶元件，同时插入来自泛菌属和大肠杆菌的葡萄糖磷酸酶元件。
于涛表示，泛菌属和大肠杆菌的葡萄糖磷酸酶元件可以“另辟蹊径”，将酵母体内其他通路中的磷酸分子转化为葡萄糖，增强了酵母菌积累葡萄糖的能力。经过改造后的工程酵母菌株的葡萄糖产量达到2.2g/L，产量提高了30%。
为人工合成“粮食”提供了新技术
近年来，随着新能源发电的迅速崛起，电力成本下降，二氧化碳电还原技术已经具备与传统化工工艺竞争的潜力。同时，微生物作为活细胞工厂，其优点是产物多样性很高，能够合成许多无法通过人工生产或人工生产效率很低的化合物，是非常丰富的“物质合成工具箱”，在白酒、馒头、抗生素等食品药品加工中，微生物就发挥着重要作用。“合成葡萄糖和油脂需要的电力和微生物有了保障，通过电催化结合生物合成的新型催化方式就有了坚实的根基。”夏川说。
中国科学院院士、中国催化专业委员会主任李灿研究员评价，这项工作耦合了人工电合成与生物合成，发展了一条由水和二氧化碳到含能化学小分子乙酸，然后经工程改造的酵母微生物催化合成葡萄糖和游离的脂肪酸等高附加值产物的新途径，为人工和半人工合成“粮食”提供了新的技术。“该工作开辟了电化学结合活细胞催化制备葡萄糖等粮食产物的新策略，为进一步发展基于电力驱动的新型农业与生物制造业提供了新范例，是二氧化碳利用方面的重要发展方向。”中国科学院院士、上海交通大学教授邓子新说。
曾杰也强调，这项成果尚处于基础研究阶段，推向实用还需要进一步提高能量效率和产率，降低生产成本。未来如果要合成淀粉、制造色素、生产药物等，只需保持电催化设施不变，更换发酵使用的微生物就能实现。 据《科技日报》
