生物電催化技術(shù)在生物電化學(xué)傳感、生物能量轉(zhuǎn)換等方面潛力巨大。特別是在高值化學(xué)品合成方面，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的電極代替輔酶再生共底物，成功實(shí)現(xiàn)一些材料和醫(yī)藥化學(xué)品的高效合成。
二氧化碳的高效生物轉(zhuǎn)化對(duì)推進(jìn)綠色低碳發(fā)展，實(shí)現(xiàn)我國(guó)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義，也是目前國(guó)內(nèi)外關(guān)注的重大科技前沿之一。
2月20日，科技日?qǐng)?bào)記者從中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所獲悉，該所體外合成生物學(xué)中心聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院微生物研究所和山東大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)，在還原甘氨酸途徑的啟發(fā)下，構(gòu)建了電能驅(qū)動(dòng)的體外多酶催化系統(tǒng)，克服了熱力學(xué)障礙，首次實(shí)現(xiàn)了一鍋法生物電催化二氧化碳加氨合成甘氨酸。相關(guān)研究成果近日以封面文章的形式發(fā)表在國(guó)際期刊《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》上。
生物電催化二氧化碳轉(zhuǎn)化需解決兩個(gè)問(wèn)題
由于二氧化碳是一種化學(xué)惰性分子，其轉(zhuǎn)化利用需要能量的注入。而生物催化系統(tǒng)雖然具有高選擇性，但往往反應(yīng)條件溫和、能量利用方式有限，這導(dǎo)致其轉(zhuǎn)化二氧化碳的速率和效率難以與化學(xué)催化系統(tǒng)相比。
近年來(lái)，隨著綠色發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，以清潔電能驅(qū)動(dòng)生物催化的生物電催化技術(shù)越來(lái)越受到關(guān)注。結(jié)合了生物催化的高選擇性和電催化高效清潔的優(yōu)點(diǎn)，生物電催化技術(shù)在生物電化學(xué)傳感、生物能量轉(zhuǎn)換等方面潛力巨大。特別是在高值化學(xué)品合成方面，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的電極代替輔酶再生共底物，成功實(shí)現(xiàn)一些材料和醫(yī)藥化學(xué)品的高效合成。
“利用化學(xué)電催化可將二氧化碳和氨合成氨基酸，但化學(xué)催化劑在轉(zhuǎn)化二氧化碳方面選擇性欠佳，難以高效合成多碳和含氮分子。而生物催化劑具有高選擇性，再通過(guò)電能驅(qū)動(dòng)為反應(yīng)賦能，則有望實(shí)現(xiàn)二氧化碳到復(fù)雜分子的轉(zhuǎn)化。”文章第一作者之一，天津工業(yè)生物技術(shù)研究所副研究員吳冉冉介紹。
但是生物電催化二氧化碳轉(zhuǎn)化必須解決生物固碳元件性能不高以及電能難以高效再生還原力以驅(qū)動(dòng)生物反應(yīng)這兩個(gè)問(wèn)題。目前，生物電催化技術(shù)僅能實(shí)現(xiàn)二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲酸、甲醇等一碳產(chǎn)物，由于速度慢、得率低，還無(wú)法直接進(jìn)一步一鍋合成氨基酸或多碳分子。
構(gòu)建電能驅(qū)動(dòng)的體外多酶催化系統(tǒng)
甘氨酸是自然界中分子結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的氨基酸。在還原甘氨酸途徑的啟發(fā)下，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了電能驅(qū)動(dòng)的多酶催化二氧化碳加氨合成甘氨酸的系統(tǒng)。他們首先對(duì)二氧化碳還原到甲酸、基于四氫葉酸的甲酸轉(zhuǎn)化、基于甘氨酸裂解系統(tǒng)的甘氨酸合成以及輔酶再生四個(gè)模塊分別進(jìn)行了構(gòu)建和驗(yàn)證。特別是聯(lián)合團(tuán)隊(duì)前期開發(fā)的基于銅電極和甲酸脫氫酶的高效輔酶再生模塊，解決了輔酶易失活的問(wèn)題，大幅提升了甲酸濃度，以便推動(dòng)其后續(xù)生物轉(zhuǎn)化。
“聯(lián)合團(tuán)隊(duì)通過(guò)挖掘雙功能酶、優(yōu)化反應(yīng)條件、提高多酶間和酶與輔酶間的相互適配性等，進(jìn)一步解決了輔酶需求不匹配、固碳與氨素利用難以協(xié)同等問(wèn)題。特別是針對(duì)限速環(huán)節(jié)——基于四氫葉酸的甲酸轉(zhuǎn)化，我們做了一系列改進(jìn)和強(qiáng)化，最終將甘氨酸產(chǎn)量提升至0.81毫摩爾，最高合成速度達(dá)8.69毫克每升每小時(shí)，最大法拉第效率達(dá)96.8%。”文章通訊作者，天津工業(yè)生物技術(shù)研究所研究員朱之光說(shuō)。
此外，同位素標(biāo)記結(jié)果可證實(shí)甘氨酸中的碳原子和氮原子均來(lái)自于二氧化碳和氨。經(jīng)估算，該系統(tǒng)的最大理論能量效率可達(dá)50.3%(考慮電驅(qū)動(dòng)輔酶再生反應(yīng)過(guò)電勢(shì))到83.6%(不考慮過(guò)電勢(shì))，這充分顯示了生物電催化在能量效率上的優(yōu)勢(shì)。
對(duì)于產(chǎn)量和反應(yīng)速度上的進(jìn)一步提高，未來(lái)我們可重點(diǎn)針對(duì)四氫葉酸相關(guān)模塊進(jìn)行改造或者構(gòu)建新的生物電催化二氧化碳轉(zhuǎn)化人工途徑。
該研究展示了一條利用生物電催化系統(tǒng)將二氧化碳加氨合成甘氨酸的新路線，也為以二氧化碳為原料合成更多含氮高值化學(xué)品提供了新思路，是二氧化碳到淀粉、蛋白、油脂等重大產(chǎn)品的人工合成路線的重要補(bǔ)充。
