中国科学家以二氧化碳和水为原料，使用新型催化方式人工合成葡萄糖和脂肪酸
传统的粮食生产要受季节、地域等的影响，人们需要“看天吃饭”。
近日，一项研究显示，科学家以 co2 和水为原料，通过新型电催化与生物发酵方式合成了葡萄糖和脂肪酸，让人工可控合成“粮食”成为可能。
相关论文以《通过电化学和代谢工程将 co2 升级为富含能量的长链化合物》（）为题发表在 nature catalysis 上[1]。
（来源：nature catalysis）
据了解，该项研究由中国科学技术大学课题组、中国科学院深圳先进技术研究院课题组与电子科技大学课题组共同完成。
从二氧化碳到葡萄糖这个过程具体如何实现？
简答来说，研究人员制作了一个混合电生物系统（hybrid electro-biosystem），耦合空间分离的 co2 电解与酵母发酵，有效地将 co2转化为高产量葡萄糖。
据了解，研究人员首先实现的是从 co2到乙酸的转化过程。乙酸除了是食醋主要成分，也是一种微生物发酵的原料。这一过程有赖于研究人员发展的电催化剂技术。
从 co2到乙酸并不是一步到位。“co2直接电解可以得到乙酸，但效率不高，存在反应速率慢、产物选择性低和碱溶液吸收等诸多问题。所以我们采取‘两步走’策略——先高效得到 co，再从 co 到乙酸。”中国科学技术大学、合肥微尺度物质科学国家研究中心教授说。
同时，为了提升从 co 到微生物“食物”乙酸的电合成效率（法拉第效率）和纯度，研究人员需要考虑电流密度和法拉第效率的双重影响，提升电流可以提升功率，但是可能降低法拉第效率。
“我们把最高偏电流密度提升到 321 ma/cm2 时，乙酸法拉第效率仍保持在 46%，能够较好地保持‘高电流’和‘高法拉第效率’的平衡。”电子科技大学材料与能源学院教授告诉媒体。
在一定程度上解决了乙酸数量这个问题后，还需要解决乙酸的质量（纯度）问题，否则无法直接用于发酵。
一般电催化装置产生的乙酸是含有较多电解质盐的混合物。本次研究人员开发出一种新型固态电解质反应装置，因此得到了无需进一步分离提纯的几乎纯乙酸水溶液。
图 | 固态电解质反应器（来源：nature catalysis）
得到乙酸后，接下来，研究人员选择酿酒酵母来进行微生物发酵。
“在酿酒酵母利用碳源乙酸来合成葡萄糖的过程中，酿酒酵母本身也会代谢掉一部分葡萄糖，所以产量并不高。”中国科学院深圳先进技术研究院研究员告诉媒体。
对此，研究团队敲除了酿酒酵母的 3 个酶元件来提葡萄糖产量。“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 1.7g/l。‘从无到有’在克级水平合成葡萄糖，代表了该策略较高的生产水平与发展潜力。”告诉媒体。
为了进一步提高葡萄糖的产量，除了减少酿酒酵母的消耗，研究人员还同时插入了两个葡萄糖磷酸酶元件（agpp、yihx）来增加酵母累积葡萄糖的能力。
表示：“经过改造后的工程酵母菌株的葡萄糖产量达到 2.2g/l，产量比之前提高了 30%。”
值得一提的是，近年来，绿色发展已经成为全球共识。利用 co2电还原制备高附加值产品是改善气候变化、助力社会可持续发展的重要研究方向，也是尚待开发的新领域。
而目前对该方向的研究还主要是 c1/c2 等小分子产物，将 co2转化为碳基长链分子仍面临挑战。
而本次研究耦合 co2电还原与生物过程，实现富含能量的长碳链产品，无疑在对 co2利用上向前迈进一步。
图 | 将二氧化碳和水转化为长链产品示意图（来源：nature catalysis）
本次研究也为新型农业与生物制造业的发展展示了一种新的策略和方向。
当然，从科研成果到落地规模化生产应用仍需一定时间，需要相关技术的再提高和降低生产成本。接下来，研究人员会继续研究电催化与生物发酵之间的相互联系，进一步有效提升产物的附加值。
值得一提的是，研究人员还表示，该方法生产的产品可以很容易地扩展到其他物质，例如脂肪酸。而且，若以后要合成淀粉、色素等，只要在现有电催化设施基础上，替换发酵用的微生物即可。