生物电催化技术在生物电化学传感、生物能量转换等方面潜力巨大。特别是在高值化学品合成方面，可以通过简单的电极代替辅酶再生共底物，成功实现一些材料和医药化学品的高效合成。
二氧化碳的高效生物转化对推进绿色低碳发展，实现我国“双碳”目标具有重要意义，也是目前国内外关注的重大科技前沿之一。
2月20日，科技日报记者从中国科学院天津工业生物技术研究所获悉，该所体外合成生物学中心联合中国科学院微生物研究所和山东大学研究团队，在还原甘氨酸途径的启发下，构建了电能驱动的体外多酶催化系统，克服了热力学障碍，首次实现了一锅法生物电催化二氧化碳加氨合成甘氨酸。相关研究成果近日以封面文章的形式发表在国际期刊《德国应用化学》上。
生物电催化二氧化碳转化需解决两个问题
由于二氧化碳是一种化学惰性分子，其转化利用需要能量的注入。而生物催化系统虽然具有高选择性，但往往反应条件温和、能量利用方式有限，这导致其转化二氧化碳的速率和效率难以与化学催化系统相比。
近年来，随着绿色发电技术的发展，以清洁电能驱动生物催化的生物电催化技术越来越受到关注。结合了生物催化的高选择性和电催化高效清洁的优点，生物电催化技术在生物电化学传感、生物能量转换等方面潜力巨大。特别是在高值化学品合成方面，可以通过简单的电极代替辅酶再生共底物，成功实现一些材料和医药化学品的高效合成。
“利用化学电催化可将二氧化碳和氨合成氨基酸，但化学催化剂在转化二氧化碳方面选择性欠佳，难以高效合成多碳和含氮分子。而生物催化剂具有高选择性，再通过电能驱动为反应赋能，则有望实现二氧化碳到复杂分子的转化。”文章第一作者之一，天津工业生物技术研究所副研究员吴冉冉介绍。
但是生物电催化二氧化碳转化必须解决生物固碳元件性能不高以及电能难以高效再生还原力以驱动生物反应这两个问题。目前，生物电催化技术仅能实现二氧化碳转化为甲酸、甲醇等一碳产物，由于速度慢、得率低，还无法直接进一步一锅合成氨基酸或多碳分子。
构建电能驱动的体外多酶催化系统
甘氨酸是自然界中分子结构最简单的氨基酸。在还原甘氨酸途径的启发下，联合团队成功构建了电能驱动的多酶催化二氧化碳加氨合成甘氨酸的系统。他们首先对二氧化碳还原到甲酸、基于四氢叶酸的甲酸转化、基于甘氨酸裂解系统的甘氨酸合成以及辅酶再生四个模块分别进行了构建和验证。特别是联合团队前期开发的基于铜电极和甲酸脱氢酶的高效辅酶再生模块，解决了辅酶易失活的问题，大幅提升了甲酸浓度，以便推动其后续生物转化。
“联合团队通过挖掘双功能酶、优化反应条件、提高多酶间和酶与辅酶间的相互适配性等，进一步解决了辅酶需求不匹配、固碳与氨素利用难以协同等问题。特别是针对限速环节——基于四氢叶酸的甲酸转化，我们做了一系列改进和强化，最终将甘氨酸产量提升至0.81毫摩尔，最高合成速度达8.69毫克每升每小时，最大法拉第效率达96.8%。”文章通讯作者，天津工业生物技术研究所研究员朱之光说。
此外，同位素标记结果可证实甘氨酸中的碳原子和氮原子均来自于二氧化碳和氨。经估算，该系统的最大理论能量效率可达50.3%(考虑电驱动辅酶再生反应过电势)到83.6%(不考虑过电势)，这充分显示了生物电催化在能量效率上的优势。
对于产量和反应速度上的进一步提高，未来我们可重点针对四氢叶酸相关模块进行改造或者构建新的生物电催化二氧化碳转化人工途径。
该研究展示了一条利用生物电催化系统将二氧化碳加氨合成甘氨酸的新路线，也为以二氧化碳为原料合成更多含氮高值化学品提供了新思路，是二氧化碳到淀粉、蛋白、油脂等重大产品的人工合成路线的重要补充。
