近日,中國科學院天津工業生物技術研究所體外合成生物學中心與中國科學院微生物研究所、山東大學的研究團隊合作,首次實現了生物電催化二氧化碳加氨一鍋法合成甘氨酸。

　　甘氨酸是自然界中分子結構最簡單的氨基酸,在農藥、飼料、食品、醫藥等領域有廣泛應用。目前,甘氨酸主要通過化學法合成,但化學催化劑在轉化二氧化碳方面選擇性欠佳,難以高效合成多碳和含氮分子。

　　近年來,隨著綠色發電技術的發展,以清潔電能驅動生物催化的生物電催化技術越來越受到關注,這也為二氧化碳直接轉化為復雜分子提供了可能。

　　中國科學院天津工業生物技術研究所副研究員吳冉冉告訴記者,研究團隊構建了電能驅動的體外多酶催化系統,突破了生物固碳過程熱力學的限制,將“固碳”與“聚碳、聚氨”過程成功耦合。該系統包含二氧化碳還原到甲酸、基于四氫葉酸的甲酸轉化、基于甘氨酸裂解系統的甘氨酸合成以及輔酶再生四個模塊。

　　首先,對四個模塊分別進行了構建和驗證。特別是團隊前期開發了基于銅電極和甲酸脫氫酶的高效輔酶再生模塊,解決了輔酶易失活的問題,大幅提升了甲酸濃度。通過挖掘雙功能酶、優化反應條件、提高多酶間和酶與輔酶間的相互適配性等,進一步解決了輔酶需求不匹配、固碳與氨素利用難以協同等問題,將甘氨酸產量提升至0.81毫摩爾。

　　同位素標記結果也證實甘氨酸中的碳原子和氮原子均來自二氧化碳和氨。

　　“該研究展示了一條利用生物電催化系統將二氧化碳加氨合成甘氨酸的新路線,也為以二氧化碳為原料合成更多含氮高值化學品提供了新思路。”中國科學院天津工業生物技術研究所研究員朱之光說。

　　該項研究得到了天津市合成生物技術創新能力提升行動、國家自然科學基金和海河實驗室項目的支持,相關論文發表在國際期刊《德國應用化學》上并被選為封面論文。