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生物电催化手艺在生物电化学传感、生物能量转换等方面潜力庞大。特殊是在高值化学品合成方面，可以经由过程简单的电极取代辅酶再生共底物，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动绿色低碳成长，实现我国“双碳”方针具有主要意义，也是今朝国表里存眷的重年夜科技前沿之一。

2月20日，科技日报记者从中国科学院天津工业生物手艺研究所得悉，该所体外合成生物学中间结合中国科学院微生物研究所和山东年夜学研究团队，在还原甘氨酸路子的开导下，构建了电能驱动的体外多酶催化系统，降服了热力学障碍，初次实现了一锅法生物电催化二氧化碳加氨合成甘氨酸。相干研究功效近日以封面文章的情势颁发在国际期刊《德国利用化学》上。

生物电催化二氧化碳转化需解决两个问题

因为二氧化碳是一种化学惰性份子，其转化操纵需要能量的注入。而生物催化系统固然具有高选择性，但常常反映前提暖和、能量操纵体例有限，这致使其转化二氧化碳的速度和效力难以与化学催化系统比拟。

最近几年来，跟着绿色发电手艺的成长，以洁净电能驱动生物催化的生物电催化手艺愈来愈遭到存眷。连系了生物催化的高选择性和电催化高效洁净的长处，生物电催化手艺在生物电化学传感、生物能量转换等方面潜力庞大。特殊是在高值化学品合成方面，可以经由过程简单的电极取代辅酶再生共底物，成功实现一些材料和医药化学品的高效合成。

“操纵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份子。而生物催化剂具有高选择性，再经由过程电能驱动为反映赋能，则有望实现二氧化碳到复杂份子的转化。”文章第一作者之一，天津工业生物手艺研究所副研究员吴冉冉介绍。

可是生物电催化二氧化碳转化必需解决生物固碳元件机能不高和电能难以高效再生还原力以驱动生物反映这两个问题。今朝，生物电催化手艺仅能实现二氧化碳转化为甲酸、甲醇等一碳产品，因为速度慢、得率低，还没法直接进一步一锅合成氨基酸或多碳份子。

构建电能驱动的体外多酶催化系统

甘氨酸是天然界平分子布局最简单的氨基酸。在还原甘氨酸路子的开导下，结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。他们起首对二氧化碳还原到甲酸、基在四氢叶酸的甲酸转化、基在甘氨酸裂解系统的甘氨酸合成和辅酶再生四个模块别离进行了构建和验证。特殊是结合团队前期开辟的基在铜电极和甲酸脱氢酶的高效辅酶再生模块，解决了辅酶易掉活的问题，年夜幅晋升了甲酸浓度，以便鞭策厥后续生物转化。

“结合团队经由过程发掘双功能酶、优化反映前提、提高多酶间和酶与辅酶间的彼此适配性等，进一步解决了辅酶需求不匹配、固碳与氨素操纵难以协划一问题。特殊是针对限速环节——基在四氢叶酸的甲酸转化，我们做了一系列改良和强化，终究将甘氨酸产量晋升至0.81毫摩尔，最高合成速度达8.69毫克每升每小时，最年夜法拉第效力达96.8%。”文章通信作者，天津工业生物手艺研究所研究员朱之光说。

另外，同位素标识表记标帜成果可证实甘氨酸中的碳原子和氮原子均来自在二氧化碳和氨。经估算，该系统的最年夜理论能量效力可达yb体育官网app下载50.3%(斟酌电驱动辅酶再生反映过电势)到83.6%(不斟酌过电势)，这充实显示了生物电催化在能量效力上的优势。

对产量和反映速度上的进一步提高，将来我们可重点针对四氢叶酸相干模块进行革新或构建新的生物电催化二氧化碳转化人工路子。

该研究展现了一条操纵生物电催化系统将二氧化碳加氨合成甘氨酸的新线路，也为以二氧化碳为原料合成更多含氮高值化学品供给了新思绪，是二氧化碳到淀粉、卵白、油脂等重年夜产物的人工合成线路的主要弥补。