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去年，中国科学家首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成，有望为农业生产与生物制造带来变革。现在，在一项发表于《自然·催化》的研究中，一支中国的联合研究团队实现了另一项基于二氧化碳的重大突破：将二氧化碳高效合成为葡萄糖或脂肪酸。
利用可持续的方式将二氧化碳人工合成具有附加价值的产物，对于应对环境与能源危机、实现循环经济有着重要意义。然而，如何高效、可持续地利用二氧化碳合成长链分子，却是一项巨大的挑战。
这项研究由电子科技大学夏川课题组、中国科学院深圳先进技术研究院于涛课题组与中国科学技术大学曾杰课题组共同完成。总体而言，整个过程包含了两个步骤：首先利用电催化将二氧化碳转化为乙酸，再借助酵母发酵将乙酸转变为葡萄糖或脂肪酸。
▲实验步骤示意图（图片来源：参考资料[1]）
对于第一步，曾杰教授表示：“乙酸不仅是食醋的主要成分，还是优秀的生物合成碳源，能转化为葡萄糖等其他生命物质。乙酸可以直接由二氧化碳电解获得，但这个过程的效率很低。因此，我们提出了一个将二氧化碳转化为乙酸的两步走策略：首先将二氧化碳转化为一氧化碳，再生产乙酸。”
具体而言，研究团队首先使用镍-氮-碳单原子催化，在膜电极中实现二氧化碳到一氧化碳的转化；随后，他们开发了一个晶界铜催化系统，将一氧化碳转化为乙酸，这个反应的效率可以达到52%。
不过，传统的电催化设备生成的乙酸总是会掺杂很多电解质盐，因此无法直接用于生物发酵。为了解决这个问题，研究团队开发了一种多孔的固态电解反应装置，通过音离子交换膜实现乙酸产物的纯化。这个装置可以持续稳定工作140小时，产出的乙酸溶液纯度可达97%。
▲结合电催化与酵母发酵，中国科学家利用二氧化碳合成了葡萄糖与脂肪酸（图片来源：中国科学院深圳先进技术研究院）
下一步到了微生物发酵。研究团队敲除了酿酒酵母中所有的己糖机酶基因，这些基因调控着细胞葡萄糖代谢的关键酶，因此这时的酵母无法代谢葡萄糖。随后，这些经过改造的酵母利用乙酸来合成葡萄糖。由于它们不能消耗葡萄糖，因此可以实现葡萄糖的高效生产。此外，利用类似的策略，经过基因编辑的酿酒酵母还实现了脂肪酸的合成。
二氧化碳电解产生的高纯度、高浓度的乙酸，为酿酒酵母的发酵提供了碳源。这个长链分子合成平台，有望实现大规模的生产应用，也开创了利用二氧化碳生产粮食产物的全新策略。接下来，研究团队将进一步提升生产效率并降低成本，力争将这项技术从实验室推广至工业生产。
参考资料：
[2] Hybrid electro-biosystem upcycles carbon dioxide into energy-rich long-chain compounds. Retrieved Apr. 28, 2022 from https://www.eurekalert.org/news-releases/951102
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