新工艺通过甲酸将二氧化碳转化为生化工业的宝贵材料

用于固定二氧化碳的新合成代谢途径不仅有助于降低大气中的二氧化碳含量，而且还可以用碳中和的生物过程取代传统的药物和活性成分化学制造过程。发表在《自然通讯》上的一项新研究表明，一种可以通过甲酸将二氧化碳转化为生化工业宝贵材料的过程。

鉴于温室气体排放量不断增加，碳捕获，即从大型排放源封存二氧化碳，是一个紧迫的问题。在自然界中，二氧化碳同化已经发生了数百万年，但其能力远远不足以补偿人为排放。

由马克斯普朗克陆地微生物研究所的Tobias Erb领导的研究人员正在使用大自然的工具箱来开发二氧化碳固定的新方法。他们现在已经成功地开发了一种人工代谢途径，从甲酸中产生高活性甲醛，甲酸可能是人工光合作用的中间产物。甲醛可以直接进入几种代谢途径，形成其他有价值的物质，而没有任何毒性作用。与自然过程一样，需要两个主要成分：能源和碳。前者不仅可以由阳光直射提供，还可以通过电力提供，例如太阳能模块。

甲酸是C1构建块

在附加值链中，碳源是可变的。二氧化碳不是这里唯一的选择，所有单碳化合物(C1 构建块)都存在问题：一氧化碳、甲酸、甲醛、甲醇和甲烷。然而，几乎所有这些物质都是剧毒的——无论是对生物体(一氧化碳、甲醛、甲醇)还是对地球(甲烷作为温室气体)。只有甲酸在中和到其碱甲酸盐时，才能被许多微生物以高浓度耐受。

“甲酸是一种非常有前途的碳源，”该研究的第一作者Maren Nattermann说。“但是在试管中将其转化为甲醛是相当耗能的。这是因为甲酸的盐，甲酸盐，不容易转化为甲醛。“在进行实际反应之前，我们必须用生化能量ATP弥合两个分子之间有一个严重的化学屏障。

研究人员的目标是找到一种更经济的方法。毕竟，将碳输入新陈代谢所需的能量越少，驱动生长或生产的能量就越多。但这样的道路在自然界中并不存在。“发现具有多种功能的所谓混杂酶需要一些创造力，”Tobias Erb说。“然而，候选酶的发现只是一个开始。我们谈论的是你可以计算的反应，因为它们非常慢——在某些情况下，每种酶每秒不到一个反应。自然反应的发生速度可以快一千倍。

这就是合成生物化学的用武之地，Maren Nattermann说。“如果你知道酶的结构和机制，你就知道在哪里进行干预。在这里，我们从同事在基础研究方面的初步工作中受益匪浅。

高通量技术加速酶优化

酶的优化包括几种方法：构建块被特异换，随机突变被产生并选择能力。“甲酸盐和甲醛都非常适合，因为它们可以穿透细胞壁。我们可以将甲酸盐放入产生酶的细胞培养基中，并在几个小时后将产生的甲醛转化为无毒的黄色染料，“Maren Nattermann解释说。

如果不使用高通量方法，在如此短的时间内就不可能获得结果。为了实现这一目标，研究人员与位于德国埃斯林根的工业合作伙伴费斯托合作。“在大约 4，000 个变体之后，我们的产量提高了四倍，”Maren Nattermann 说。“因此，我们为生物技术的微生物主力mikrobe Escherichia coli模型在甲酸上生长奠定了基础。然而，就目前而言，我们的细胞只能产生甲醛，不能进一步转化甲醛。

与马克斯普朗克分子植物生理学研究所的合作伙伴Sebastian Wenk一起，研究人员目前正在开发一种可以吸收中间体并将其引入中枢代谢的菌株。与此同时，该团队正在与马克斯普朗克化学能转换研究所的一个工作组进行研究，该工作组由沃尔特·莱特纳(Walter Leitner)领导，研究二氧化碳向甲酸的电化学转化。长期目标是建立一个“一体化平台”——从二氧化碳到通过电生化学过程到胰岛素或生物柴油等产品。

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