人工合成“粮食”有了新路径

　　利用二氧化碳高效、可持续地合成高能量羰基长链化合物仍是目前科技界面临的一项巨大的挑战。近期，我国科学家通过将电催化与生物合成相结合，成功实现了以二氧化碳和水为原料合成葡萄糖和脂肪酸。研究成果发表在国际期刊《自然·催化》上。这项研究为利用二氧化碳合成高价值长链脂肪酸提供了新方法，让人工可控合成“粮食”成为可能。

二氧化碳回收利用技术成热门领域

　　二氧化碳是一种常见的温室气体，可导致气温升高和海平面升高。数据显示，每年释放到大气中的二氧化碳有数百亿吨。在 “碳达峰”和“碳中和”目标的驱动下，近年来，各国一直致力于减少二氧化碳排放，以及对所排放的二氧化碳进行回收利用技术的研发。将二氧化碳进行各方面的合成利用，是未来发展的必然趋势。如何以低成本还原二氧化碳合成有机物，是当前的热门领域。

　　2016年，德国马克斯·普朗克陆地微生物研究所的研究人员用了两年多的时间，通过对9种生物（包括细菌、古生菌、植物和人类）的筛选、测试和设计，精心挑选了17种酶化合物，将它们整合到一个单一的协作途径中，实现了比植物中的自然卡尔文循环（即光合作用）捕获二氧化碳速度更快，并将二氧化碳转化为葡萄糖等有机化合物。该研究创建了一个完全不同的合成策略。那就是先把二氧化碳转化为可供微生物利用的原料，然后再通过微生物发酵的方式转化为葡萄糖等产物。

　　去年9月，我国科学家在合成生物学领域取得重大突破，在国际上首次在实验室实现了二氧化碳到淀粉的从头合成。中国科学院天津工业生物技术研究所所长马延和指出，植物合成淀粉的化学本质就是太阳能还原碳，然后逐步从简单的分子聚合到复杂分子的生化过程。

　　日前，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的最新研究成果表明，通过电催化结合生物合成的方式，将二氧化碳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脂肪酸。

　　中国科学院科技促进发展局副局长许航表示，“我们认识到，原创性、引领性基础研究是生物领域技术创新的基石，也是产业发展的核心驱动力。生命科学和生物技术领域正在发生科研范式的重塑变革，人工智能与大数据、学科交叉融合等成为生命科学研究和生物技术创新的强大驱动力，必将对未来的知识创新和技术突破带来重大影响。”

从无用的废气到有用的“粮食”

　　喝“西北风”肯定喝不饱，但如果把“西北风”里的二氧化碳变成粮食呢？科学家一直希望能把“无用”的工业废气二氧化碳转化成对人们有用的“粮食”。要把设想变成现实，研究者们决定分“三步走”。

　　“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。”中国科技大学教授曾杰说，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。

　　至于要转化为哪种“原料”，研究人员将目光瞄准了乙酸。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。“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，直接得到了不必进一步分离的纯乙酸水溶液。”电子科技大学教授夏川介绍，利用该装置，能制备纯度达97%的乙酸水溶液。

　　第三步，在得到乙酸后，研究者们开始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。

　　“利用模式生物酿酒酵母‘从无到有’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。”中国科学院深圳先进技术研究院研究员于涛说，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。

　　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每升2.2克，产量提高了30%。

产业之路仍需面对诸多挑战

　　大自然的资源丰富多样，人类能够开发的总比率有限。但随着开发比例逐渐升高，环保成本也会变得越来越高。人工合成永远达不到自然资源的最低成本，但它却能在自然资源成本过高时，发挥十分重要的作用。尤其是当人类消费总是会超过自然可持续资源，甚至超过数倍时。粮食生产的生产范式一直没有变化。“如果我们能以廉价的可再生碳源，通过车间制造来实现农业产品的生产，将会节约大量的土地和水资源以及消除对环境的影响。”马延和说。

　　此次二氧化碳生成葡萄糖和脂肪酸的方法采用了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。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认为，这项研究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方向。

　　新技术、新产品在实现产业化、创造新市场的道路上肯定会遇到各种困难，会遇到技术、市场、资金等各方面的风险。一个产品从实验室走向市场，资金、技术、市场、时机，缺一不可。在这个过程中，技术是关键因素，但不是成功的唯一要素。生物制造产业要发展成为国民经济的支柱产业，还有几方面的问题需要解决：研发出核心技术的企业较少；生物制造的产业链较短；相关服务业态还未形成。

　　此次从二氧化碳合成葡萄糖和脂肪酸是实验室中以二氧化碳为原料合成有机物的一次新突破，该团队下一步计划是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，在生成任何物质如淀粉和药物时，只需保持电催化系统设施不改变，更换发酵使用的微生物即可实现。但是，走向产业化仍困难重重，这项成果尚处于实验室的基础研究阶段，如果要推向实际应用，还需要进一步提高能量效率和产率，降低生产成本。

　　（高娜 综合整理）