读创/深圳商报记者袁斯茹
CO可以变葡萄糖？中国科研团队再次“点石成金”。4月28日，国际期刊《自然——催化》以封面文章形式刊登的一项成果显示，通过电催化结合生物合成等方式，可以将二氧化碳高效还原合成为葡萄糖和油脂。
这一成果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。郑婷婷、张梦露、吴良焕为共同第一作者，曾杰、于涛、夏川为共同通讯作者。
△论文上线截图
工业废气变“食醋”
这不是中国团队第一次“点石成金”。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，二氧化碳究竟是如何变成葡萄糖和油脂的呢？
△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
“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。”曾杰介绍道，清洁、高效的电催化技术可以在常温常压条件下工作，是实现这个过程的理想选择，他们就此已经发展了很多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生物物质。
△固态电解质反应器
“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’策略——先高效得到一氧化碳，再从一氧化碳到乙酸。”曾杰说。
即使如此，目前一氧化碳到乙酸的电合成效率（即乙酸法拉第效率）和纯度依旧不尽如人意。对此，研究人员发现，由一氧化碳催化形成乙酸盐，特异性地受催化剂表面几何形状影响，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法拉第效率可达52%。
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。在该工作中，与生物学相关的设计与实验在深圳先进院完成。
△固态电解质反应器
“酿酒酵母主要用于奶酪、馒头、酿酒等发酵行业，同时也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。”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。”
“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。”于涛说，为了进一步提升合成的葡萄糖产量，不仅要废除酿酒酵母的能力，还要加强它本身积累葡萄糖的能力。
△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）
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，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2.2g/L，产量提高了30%。
“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。”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道。
于涛课题组简介
于涛，博士生导师，中科院深圳先进技术研究院合成生物学研究所研究员，国家重大人才工程（青年）专家，国家重点研发计划青年项目首席科学家。
实验室致力于利用合成生物学方法解决可持续制造，绿色能源存储与粮食安全等全球性的问题与挑战。近五年来研究成果以第一作者或者通讯作者发表在Cell,NatureCatalysis，CellResearch,NatureCommunications等专业期刊。
△深圳先进院课题组，左一为团队负责人于涛
审读：谭录岗
