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〈肇庆重大消息〉人工合成“粮食”又添新技术!我国科学家实现二氧化碳还原合成葡萄糖和脂肪酸

admin admin 发表于2022-05-18 15:09:49 浏览125 评论7

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人工合成“粮食”又添新技术__!我国科学家实现二氧化碳还原合成葡萄糖和脂肪酸

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。研究团队供图

去年9月,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”淀粉,还能“变”其他东西吗__?

4月28日__,以封面文章形式发表于《自然・催化》上的一项最新研究表明__,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__。

“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。

人工合成“粮食”又添新技术!我国科学家实现二氧化碳还原合成葡萄糖和脂肪酸

研究团队通过固态电解质反应器制备的乙酸水溶液。研究团队供图

温和条件下工业废气变“食醋”

那么__,二氧化碳究竟是如何“变”成葡萄糖和油脂的呢?

“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。

“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__。

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。所以__,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__,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原本的电解质盐溶液,直接得到了无需进一步分离的纯乙酸水溶液__。”夏川介绍道__,利用该装置能连续140小时上制备纯度达97%的乙酸水溶液__。

人工合成“粮食”又添新技术__!我国科学家实现二氧化碳还原合成葡萄糖和脂肪酸

固态电解质反应器__。研究团队供图

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。

“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__。”

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――Glk1__、Hxk1和Hxk2,废除了酿酒酵母代谢葡萄糖的能力__。敲除之后__,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1.7克每升。

“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__。

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2.2克每升__,产量提高了30%。

人工合成“粮食”又添新技术!我国科学家实现二氧化碳还原合成葡萄糖和脂肪酸

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)__。研究团队供图

新型催化方式助力高附加值化合物生产

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依赖化石能源的传统化工工艺竞争的潜力。因此,高效的二氧化碳电还原制备高附加值化学品和燃料的工艺被学界认为是建设未来“零碳排放”物质转化的重要研究方向之一。

目前对二氧化碳电还原技术的研究大多局限于一碳和二碳等小分子产物,如何高效__、可持续地将二氧化碳转化为富含能量的碳基长链分子仍然是一个巨大的挑战__。

“为了规避二氧化碳电还原的产物局限性,可考虑将二氧化碳电还原过程与生物过程相耦合,以电催化产物作为电子载体,供微生物后续发酵合成长碳链的化学产品用于生产和生活。”夏川表示。

合适的电子载体对微生物发酵至关重要__。由于二氧化碳电还原的气相产物均难溶于水,生物利用效率低,因此优先选择二氧化碳电还原的液相产物作为生物发酵的电子载体。然而,普通电化学反应器中所得的液体产物是与电解质盐混在一起的混合物__,不能直接用于生物发酵。鉴于此,固态电解质反应器的开发有效解决了二氧化碳电还原液体产物分离的问题__,可以连续稳定地为微生物发酵提供液态电子载体。

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”。比如,在人们常见的白酒、馒头、抗生素等食品药品的加工中__,微生物就发挥着重要作用__。

曾杰表示__,“通过电催化结合生物合成的新型催化方式__,可以有效提高碳的附加值。接下来__,我们将进一步研究电催化与生物发酵这两个平台的同配性和兼容性__。” 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改变,更换发酵使用的微生物就能实现__。

“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、上海交通大学微生物代谢国家重点实验室主任邓子新评价道__。

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评论

访客 访客7分钟前 | 回复 任何成功者的第一桶金,都浸透着他们的血汗。有了第一桶金,第二桶金、第三桶金就容易一些了。原因并不是有了资本而是因为你找到了赚钱的方法,有了赚钱的素质。人越有钱,就越是有人要给你钱,要想让人给你钱,你就越要显得不缺钱。🉐
访客 访客7小时前 | 回复 记住:你是你生命的船长;走自己的路,何必在乎其它。🏭
访客 访客2022-05-18 | 回复 因为美好,所以怀念。因为怀念,所以经典。☂️