4月28日，中國科學技術大學曾傑課題組與電子科技大學資料與能源學院的夏川課題組、中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所於濤課題組合作，在Nature Catalysis發表了題為“Upcycling CO2into energy-rich long-chain products via electrochemical and metabolic engineering”的文章。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生物發酵合成葡萄糖和脂肪酸等長碳鏈分子。在該研究中，曾傑為共同通訊作者。
隨著新能源發電的迅速崛起，電力成本下降，電合成科技已經具備與依賴化石能源的傳統化工工藝競爭的潜力。其中，二氧化碳電還原科技使用清潔電能將溫室氣體二氧化碳轉化為高附加值化學品，對緩解資源短缺具有重大意義。但現時對二氧化碳電還原科技的研究大多局限於一碳和二碳等小分子產物，如何高效、永續地將二氧化碳轉化為富含能量的碳基長鏈分子仍然是一個巨大的挑戰。
為了規避二氧化碳電還原的產物局限性，可考慮將二氧化碳電還原過程與生物過程相耦合，以電催化產物作為電子載體供微生物後續發酵合成長碳鏈的化學產品用於生產和生活。而選擇合適的電子載體對微生物發酵至關重要。由於二氧化碳電還原的氣相產物均難溶于水，生物利用效率低，囙此優先選擇二氧化碳電還原的液相產物作為生物發酵的電子載體。其中，乙酸是一種優秀的生物合成碳源，可以經發酵轉化為葡萄糖等其他生物物質。
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。鑒於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，再基於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醯輔酶A進入中樞代謝，通過糖异生、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管道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分子合成乙酸特异性地受催化劑表面幾何結構影響，並通過理論類比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]。然後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毫安培每平方釐米，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]，使陰極得到的乙酸根與陽極得到的氫離子結合形成高純乙酸水溶液，無須分離提純可直接用於下游生物發酵。通過新型電解裝置測試，催化劑可在250毫安培每平方釐米偏電流密度條件連續140小時制得純度為97%的乙酸水溶液，從而解决了電合成過程中“濃度”與“純度”兩個關鍵難點。如圖2所示。
圖2晶界銅催化CO還原合成乙酸
隨後，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，乙醯輔酶進入乙醛酸迴圈合成草醯乙酸經糖异生途徑形成葡萄糖-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“洩露”錶型。如圖3所示，敲除三個己糖激酶後，工程菌株在搖瓶發酵條件下，葡萄糖產量為1.7 g/L。之後，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，葡糖糖產量達2.2 g/L，產量提高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，分批補料添加管道，利用產糖釀酒酵母合成葡萄糖，如圖4所示，乙酸鹽和乙酸為碳源分別合成葡萄糖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潜在用途而受到廣泛關注[3]。現時有關游離脂肪酸生產研究主要以葡萄糖為底物，研究人員以電催化合成乙酸為底物，在構建的產脂肪酸菌株中合成脂肪酸，合成脂肪酸含量檢測可達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
此項工作得到國家重點研發計畫項目、國家自然科學基金專案、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。
文章連結：https://www.nature.com/articles/s41929-022-00775-6