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"变废为宝"!中国科学家实现二氧化碳合成葡萄糖

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"变废为宝"!中国科学家实现二氧化碳合成葡萄糖

观察者网 观察者网 04-29 13:24

近日,我国科学家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,进一步利用微生物可以合成葡萄糖和油脂。这一成果由电子科技大学、中国科学院深圳先进技术研究院与中国科学技术大学共同完成, 4月28日以封面文章形式在国际学术期刊《自然—催化》发表。


温和条件下工业废气变“食醋”


二氧化碳究竟是如何变成葡萄糖和油脂的呢?


首先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。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生物物质。


通过电化学耦合生物发酵实现将二氧化碳和水转化为长链产品的示意图 (图片由研究团队提供)


中国科学技术大学曾杰介绍,二氧化碳直接电解可以得到乙酸,但效率不高,所以采取“两步走”策略——先高效得到一氧化碳,再从一氧化碳到乙酸。


微生物“吃醋”产葡萄糖


得到乙酸后,研究者们尝试利用酿酒酵母这一微生物来合成葡萄糖。


中国科学院深圳先进技术研究院于涛介绍,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,然而在这个过程中,酿酒酵母本身也会代谢掉一部分葡萄糖,所以产量并不高。


固态电解质反应器


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原件,废除了酿酒酵母代谢葡萄糖的能力。利用模式生物酿酒酵母“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。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。这两种酶可以“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,增加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2.2 g/L,产量提高了30%。


研究团队通过固态电解质反应器制备的乙酸水溶液及乙酸钠粉末


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,该工作耦合人工电催化与生物酶催化过程,发展了一条由水和二氧化碳到含能化学小分子乙酸,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。


改造后用于制备葡萄糖的酵母菌株发酵液(棕色溶液),及制备的葡萄糖(白色溶液)

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