碳中性的生物化學(xué)制品：利用甲酸將二氧化碳轉化為有價(jià)值的材料

鑒于溫室氣體排放的增加，碳捕獲，即從大型排放源中封存二氧化碳，是一個(gè)緊迫的問(wèn)題。在自然界中，二氧化碳的同化作用已經(jīng)發(fā)生了數百萬(wàn)年，但其能力遠遠不足以補償人為的排放。

甲酸鹽可以被設想為碳中性生物經(jīng)濟的核心，它通過(guò)（電）化學(xué)手段從二氧化碳中生產(chǎn)出來(lái)，并通過(guò)酶的級聯(lián)反應或工程微生物轉化為增值產(chǎn)品。擴大合成甲酸鹽同化的一個(gè)關(guān)鍵步驟是將其在熱力學(xué)上具有挑戰性地還原成甲醛，在這里可以看到黃色的顏色變化。資料來(lái)源：馬克斯-普朗克陸地微生物學(xué)研究所/蓋瑟爾

由馬克斯-普朗克陸地微生物研究所的Tobias Erb領(lǐng)導的研究人員正在利用大自然的工具箱來(lái)開(kāi)發(fā)新的二氧化碳固定方式。他們現在已經(jīng)成功地開(kāi)發(fā)出一種人工代謝途徑，從甲酸中產(chǎn)生高活性的甲醛，這是一種可能的人工光合作用的中間產(chǎn)品。甲醛可以直接進(jìn)入幾個(gè)代謝途徑，形成其他有價(jià)值的物質(zhì)，而沒(méi)有任何毒性影響。正如在自然過(guò)程中，需要兩個(gè)主要成分： 能量和碳。前者不僅可以由陽(yáng)光直接提供，也可以由電力提供--例如由太陽(yáng)能模塊提供。

在增值鏈中，碳源是可變的。二氧化碳不是這里的唯一選擇，所有的單碳（C1構件）都會(huì )出現問(wèn)題：一氧化碳、甲酸、甲醛、甲醇和甲烷。然而，幾乎所有這些物質(zhì)都有劇毒--要么對生物體（一氧化碳、甲醛、甲醇），要么對地球（作為溫室氣體的甲烷）。只有甲酸，在中和成甲酸鹽后，許多微生物可以容忍高濃度的甲酸。

"甲酸是一個(gè)非常有前途的碳源，"該研究的第一作者M(jìn)aren Nattermann強調說(shuō)。"但是在試管中把它轉化為甲醛是相當耗能的。這是因為甲酸的鹽，即甲酸鹽不能輕易轉化為甲醛。這兩個(gè)分子之間有一個(gè)嚴重的化學(xué)障礙，我們必須用生化能量--ATP--來(lái)彌合，然后才能進(jìn)行實(shí)際的反應。"

研究人員的目標是找到一種更經(jīng)濟的方法。畢竟，將碳送入新陳代謝所需的能量越少，剩下的能量就越多，以推動(dòng)生長(cháng)或生產(chǎn)。但這樣的路徑在自然界并不存在。"發(fā)現具有多種功能的所謂雜交酶需要一些創(chuàng )造力，"托比亞斯-埃爾伯說(shuō)。"然而，發(fā)現候選酶只是一個(gè)開(kāi)始。我們正在談?wù)摰氖强梢砸黄鹩嬎愕姆磻?，因為它們是如此緩?-在某些情況下，每一種酶每秒不到一個(gè)反應。自然反應的發(fā)生速度可以快上千倍"。這就是合成生物化學(xué)的作用

馬倫-納特曼說(shuō)："如果知道一種酶的結構和機制，你就知道該在哪里進(jìn)行干預。在這里，我們從我們的同事在基礎研究方面的初步工作中大大受益。"

酶的優(yōu)化包括幾種方法：構件被特別交換，隨機突變被產(chǎn)生并被選擇為能力。"甲酸鹽和甲醛都非常合適，因為它們能穿透細胞壁。我們可以將甲酸鹽放入產(chǎn)生我們的酶的細胞的培養基中，幾小時(shí)后，將產(chǎn)生的甲醛轉化為無(wú)毒的黃色染料，"馬倫-納特曼解釋說(shuō)。

如果不使用高通量方法，就不可能在這么短的時(shí)間內取得這一結果。為了實(shí)現這一目標，研究人員與他們的工業(yè)伙伴--位于德國埃斯林根的費斯托公司進(jìn)行了合作。"Maren Nattermann說(shuō)："在大約4000個(gè)變體之后，我們實(shí)現了生產(chǎn)的四倍改善。我們因此為模型微生物大腸桿菌（生物技術(shù)中的微生物主力軍）在甲酸上生長(cháng)奠定了基礎。然而，就目前而言，我們的細胞只能產(chǎn)生甲醛，而不能進(jìn)一步轉化。"

與馬克斯-普朗克分子植物生理學(xué)研究所的合作伙伴Sebastian Wenk一起，研究人員目前正在開(kāi)發(fā)一種可以吸收中間產(chǎn)物并將其引入中心代謝的菌株。與此同時(shí)，該團隊正在與馬克斯-普朗克化學(xué)能源轉換研究所由Walter Leitner領(lǐng)導的一個(gè)工作組進(jìn)行二氧化碳到甲酸的電化學(xué)轉換研究。長(cháng)期目標是一個(gè)"一體化平臺"--從二氧化碳通過(guò)電生物化學(xué)過(guò)程到胰島素或生物柴油等產(chǎn)品。

標簽： 生物化學(xué) 生物化學(xué)制品 碳中性的生物