二氧化碳除了可以“变”淀粉，还能“变”其他东西吗？继去年成功全人工合成淀粉之后，我国科学家再获突破，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。
4月28日，这项成果以封面文章形式发表于《自然—催化》上。
▲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
“该工作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。
常温常压“二步走”，工业废气变“食醋”
究竟怎样才能把二氧化碳变成葡萄糖和油脂呢？
“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。”论文通讯作者之一、中国科学技术大学教授曾杰介绍，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，为此他们已经发展了很多成熟的电催化剂体系。
为了更好通向“糖与油”之路，二氧化碳应该转化为哪种“原料”最合适？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。
尽管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。”曾杰解释。
可是，目前一氧化碳到乙酸的电合成效率（即乙酸法拉第效率）和纯度依旧不尽如人意。对此，研究人员发现，由一氧化碳催化形成乙酸盐，特异性地受催化剂表面几何形状影响，一氧化碳通过脉冲电化学还原工艺形成的晶界铜催化合成乙酸法拉第效率可达52%。
▲体外二氧化碳人工合成高能长链食品分子示意图
“实际生产中，提升电流可以提升功率，但是可能降低法拉第效率。”论文通讯作者之一、电子科技大学教授夏川说，就好比把每天的工作时间从8小时延长到12小时，虽然上班更久，但工作效率反而会下降。“我们把最高偏电流密度提升到mA/cm2（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。”
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，人员还要得到高纯度的乙酸，保证微生物的“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，利用该装置，能够超小时连续制备纯度达97%的乙酸水溶液。
酿酒酵母“吃醋”，高效产出“糖与油”
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。”中国科学院深圳先进技术研究院研究员于涛说，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”，通过不断地“吃醋”来合成葡萄糖。
然而，酿酒酵母不仅会“吃醋”，也会吃葡萄糖，这就会影响产量。对此，研究团队敲除了酿酒酵母中代谢葡萄糖的三个关键酶元件——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1.7g/L。不过，科学家还不满意，为了进一步提升合成的葡萄糖产量，他们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。
▲酿酒酵母菌株工程改造
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2.2g/L，产量提高了30%！
游离脂肪酸是一类C8-C18组成的长链多碳化合物总称，因其在生产油脂化学品和生物燃料生产方面的潜在用途而受到广泛