碳中性的生物化學制品：利用甲酸將二氧化碳轉化為有價值的材料

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，是一個緊迫的問題。在自然界中，二氧化碳的同化作用已經發生了數百萬年，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濟的核心，它通過（電）化學手段從二氧化碳中生產出來，并通過酶的級聯反應或工程微生物轉化為增值產品。擴大合成甲酸鹽同化的一個關鍵步驟是將其在熱力學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。資料來源：馬克斯-普朗克陸地微生物學研究所/蓋瑟爾

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

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）都會出現問題：一氧化碳、甲酸、甲醛、甲醇和甲烷。然而，幾乎所有這些物質都有劇毒--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。

"甲酸是一個非常有前途的碳源，"該研究的第一作者Maren Nattermann強調說。"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。這兩個分子之間有一個嚴重的化學障礙，我們必須用生化能量--ATP--來彌合，然后才能進行實際的反應。"

研究人員的目標是找到一種更經濟的方法。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，以推動生長或生產。但這樣的路徑在自然界并不存在。"發現具有多種功能的所謂雜交酶需要一些創造力，"托比亞斯-埃爾伯說。"然而，發現候選酶只是一個開始。我們正在談論的是可以一起計算的反應，因為它們是如此緩慢--在某些情況下，每一種酶每秒不到一個反應。自然反應的發生速度可以快上千倍"。這就是合成生物化學的作用

馬倫-納特曼說："如果知道一種酶的結構和機制，你就知道該在哪里進行干預。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。"

酶的優化包括幾種方法：構件被特別交換，隨機突變被產生并被選擇為能力。"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生我們的酶的細胞的培養基中，幾小時后，將產生的甲醛轉化為無毒的黃色染料，"馬倫-納特曼解釋說。

如果不使用高通量方法，就不可能在這么短的時間內取得這一結果。為了實現這一目標，研究人員與他們的工業伙伴--位于德國埃斯林根的費斯托公司進行了合作。"Maren Nattermann說："在大約4000個變體之后，我們實現了生產的四倍改善。我們因此為模型微生物大腸桿菌（生物技術中的微生物主力軍）在甲酸上生長奠定了基礎。然而，就目前而言，我們的細胞只能產生甲醛，而不能進一步轉化。"

與馬克斯-普朗克分子植物生理學研究所的合作伙伴Sebastian Wenk一起，研究人員目前正在開發一種可以吸收中間產物并將其引入中心代謝的菌株。與此同時，該團隊正在與馬克斯-普朗克化學能源轉換研究所由Walter Leitner領導的一個工作組進行二氧化碳到甲酸的電化學轉換研究。長期目標是一個"一體化平臺"--從二氧化碳通過電生物化學過程到胰島素或生物柴油等產品。

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