CO₂变葡萄糖？看中国团队如何 “点石成金”
目前，大量二氧化碳（CO2）排放造成了全球气候变化和环境问题，严重影响了全球经济和环境可持续发展。为了减排，科学家们都在绞尽脑汁，新能源、碳封存等技术都成为了研究热点。
（图片来源：veer图库）
此时，一支来自中国的科研联合团队说：“要不，咱就‘喝西北风’吧！”各位切莫误会，这里说的“喝西北风”指的是将空气中CO2回收并还原合成出高附加值化学品和燃料，比如这支科研团队就用CO2合成了葡萄糖。
将CO2转化为满足生产和生活需求的长碳链化合物一直是科研人员心中永远的“白月光”，那到底怎么实现呢？
用织布的原理来理解这项碳还原技术
相比于生物体，目前的人工碳还原技术非常高效，但大多只能将CO2转化为简单的分子（甲烷、甲酸盐等），其价值、功能远远难以满足生产和生活的需求。生物体非常擅长合成复杂的化合物，但是将CO2固定下来的效率十分低下。因此，研究人员设想是否可以先使用人工方法将CO2高效还原为小分子中间体，再让微生物对还原产物高效发酵延长碳链。
就好比人工方法先将丝线（CO2）用机器做成布匹（小分子中间体），再让微生物用布匹（小分子中间体）裁剪拼接出各式各样的漂亮衣服（各种长碳链化合物，例如化学药品、汽油、药物），这种“两步走”的方法岂不是取二者所长、相得益彰？
第一步，需要将二氧化碳电还原成适合微生物发酵的中间体分子。
乙酸（醋酸）是微生物们“菜单”上一道备受欢迎的“佳肴”，因此，科研人员利用Ni-N-C单原子催化二氧化碳形成一氧化碳中间体。而后使用脉冲电化学还原工艺形成的晶界铜(Cu_GB, grain-boundary-rich Cu)将一氧化碳催化合成了乙酸。
该方法的乙酸法拉第效率可达52%（也就是催化用的电量中，52%都用在了催化乙酸合成，剩下的电量消耗在了合成其它副产物和过电位损失）。工作中稍微加会儿班可以增加每天的工作产出，但是996甚至007却让人疲劳，工作总产出反而下降。
实际生产中亦是如此，升高电流可以提升功率，但是可能降低法拉第效率，科研人员将最高偏电流密度升高达到321毫安每平方厘米时，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。
新型电化学装置高效还原CO2并稳定输出乙酸溶液
（图片来源：研究团队）
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。
为了将电解催化生成的乙酸与溶液中其它物质（电解液溶质、其它相关副产物）分离，同时方便乙酸的下游利用，科研人员利用新型电解装置，将乙酸根与氢离子结合形成乙酸水溶液，使生成的乙酸可以被流水溶解并不断带出。通过新型电解装置，能稳定在250毫安每平方厘米偏电流密度超140小时连续制备获得纯度约97%乙酸溶液。
研究团队通过固态电解质反应器制备的乙酸水溶液及乙酸钠粉末
（图片来源：研究团队）
第二步，科学家利用微生物发酵将乙酸转化成食用和工业生产都会用到的葡萄糖。
“懒惰”的科学家最终找到的“苦力”是酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae），一种单细胞的酵母菌，平时发面蒸馒头用到的就是它。
相比于动、植物，酿酒酵母转化效率高，而且生命力顽强在工业生产中使用广泛。酵母可以将乙酸等有机物转化为乙酰辅酶A（acetyl-CoA）再转化成葡萄糖，是本实验中“苦力”的理想候选者。
从“做饭厨子”口中夺回葡萄糖
实验人员选择了一株名为Lab001的酿酒酵母菌株，满心欢喜地在培养基中加入乙酸，加入Lab001酵母，静静等待酵母菌将乙酸转化为葡萄糖。经过发酵，实验人员一测，培养液中葡萄糖的浓度是……0 g/L！？
这结果
师兄看了叹气
师姐看了摇头
导师看了直发愁
——作者内心OS
乙酸也加了，酵母菌也正常生长，怎么就没有葡萄糖产生呢，该不会是一边合成一边代谢了吧……这就过分了，做厨子的怎么能一边做饭一边偷吃呢？缝上他的嘴！
于是研究者直接敲除掉了酵母菌的基因组上3个编码己糖激酶（Glk1，Hxk1，Hxk2）的基因。己糖激酶可以将葡萄糖转化为葡萄糖-6-磷酸，是细胞利用葡萄糖的第一步，把己糖激酶敲除从根本上堵死了酵母菌消化葡萄糖的路径。学过生物化学的小伙伴可以背一下糖酵解和TCA循环，背不出的自行面壁。敲除己糖激酶之后的酵母菌工程菌株代号LY027，LY027在摇瓶发酵条件下葡萄糖产量为1.7 g/L，产量“噌”地蹿上来了，看来这条路是对的。
“虎口夺食”原理示意图
（图片来源：研究团队）
虽然LY027生产葡萄糖的能力已经很强了，但是实验人员将LY027培养在没有葡萄糖的培养基上的时候，LY027还能顽强的生长。这说明，LY027仍然有“偷吃”葡萄糖的能力。
本着“宁可错杀一千，绝不放过一个”的精神，研究者先是翻遍了LY027的基因组，把两个“长得很像”己糖激酶的2个基因（YLLR446W, EMI2）一并删除；同时又在基因组上插入了来自泛菌属的葡萄糖磷酸酶基因agpP和大肠杆菌的HAD4基因yihx，帮助提高葡萄糖的产量。agpP这个基因编码的蛋白功能和己糖激酶刚好相反，可以把葡萄糖-6-磷酸转化回葡萄糖。
也就是说只要agpP这个基因存在，即使酵母菌经过其它代谢途径产生了葡萄糖，也可以“虎口夺食”，把葡萄糖-6-磷酸“夺”过来。Yihx具体作用同agpP相似，可以特异性水解葡萄糖-1-磷酸，从酵母菌那里“夺”过来葡萄糖-1-磷酸转化为葡萄糖。这次迭代出的酵母菌，代号LY031。经过测试LY031发酵的葡萄糖产量高达2.2 g/L，相比于LY027产量整整提高30%。
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）
（图片来源：研究团队）
最后，即使用乙酸盐或乙酸为唯一碳源分批补料到培养基培养，这么苛刻的条件下，LY031的葡萄糖产量仍能达到1.8 g/L和 1.5 g/L，妥妥的高产。除了酵母，实验人员同时以乙酸盐为原料，通过产脂肪酸菌株合成C8~C18脂肪酸的总产量也达到了448.5 mg/L。
酵母菌和细菌那么努力地工作
人类居然“盗窃”它的辛苦劳动产生的葡萄糖？
这种行为
搬砖人看了流泪
打工仔看了心碎
黑心老板看了都觉得自己有罪
我简直难过到崩溃
我哭了，我装的
毕竟榨取微生物劳动力才是最大的快乐！
因为实验做到这一步已经可以发文章了!
——作者内心OS
以上结果正是2022年4月28日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所于涛课题组、中国科学技术大学曾杰课题组和电子科技大学材料与能源学院的夏川课题组合作在Nature Catalysis发表了题为《Upcycling CO2 into energy-rich long-chain products via electrochemical and metabolic engineering》的文章，该研究通过电催化-生物合成结合实现由二氧化碳还原合成高能长链化学品（戳文末“阅读原文”看论文）。
展望未来：能“喝西北风”，才能永远不喝西北风
文章读到这里可能会有读者质疑：合着你们忙活了半天，又是催化，又是敲除酵母基因，到最后就生产出了葡萄糖？就这？别的研究者都能使用二氧化碳不靠细胞合成淀粉了，你才合成到葡萄糖？
此言差矣！
其一，通常情况下电化学催化的产品并不是直接就能给细胞吃的。大多数气相产品溶解度低，通入培养基中很难被细胞快速消耗掉。而常规电化学反应装置的液相产物又常常和电解质盐混合在一起，无法直接喂给细胞。因此开发新型电化学装置生产纯液体产物并直接喂给细胞吃是至关重要的。
其二，活细胞作为反应工厂，其优点是产物多样性很高，很多都是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”，但细胞利用能量固定CO2的效率是太低了。将高效的电化学催化和多样性极高的细胞发酵相结合，可各取所长。日后若合成淀粉、制造色素、生产各种药物，只需要更换发酵使用的微生物即可实现，平台的通配性和兼容性，是我们更应该展望的未来。
期望在未来，人类拥有更多、更好“喝西北风”的能力，才能永远不喝西北风。
注：本文中所有关于酵母菌的劳动等均是拟人化的描写，酵母菌作为单细胞生物没有主观意志，所有的代谢活动只是基于环境刺激做出的直接反应。拟人化描写可以增加趣味性，但是对自然规律的理解绝不应该带有人格化的判断。
作者单位：中国科学院深圳先进技术研究院
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