物质科学
Physical science
人类文明在地球上生存所面临的最基本的挑战之一在于光合作用的效率和速度不足以支撑人类对燃油，食物，材料和化学品的需求，这就使现代文明不可避免的依赖于石化能源。来自圣路易斯华盛顿大学的Joshua S. Yuan教授和密苏里大学的Susie Y. Dai 教授等在Cell Press细胞出版社旗下期刊Joule上发表了题目为“Electro-biodiesel Empowered by Co-design of Microorganism and Electrocatalysis”的文章，提出了具有更高能量转化效率和土地利用效率的电生物柴油的概念以取代传统石油基柴油与生物质柴油， 进而为电生物转化二氧化碳到各类化工产品和燃油，实现低碳生产提供了全新思路。
他们系统研究了二碳化合物作为连接分子在电催化-微生物整合系统中潜能和限制，揭示了电催化二碳产物乙醇和乙酸在下游微生物发酵生产柴油中的代谢和生物能量限制，并揭示了其二者的共底物效应和最佳比例。文章作者据此进行了双金属催化剂的设计以产生最佳的电催化产物组分，通过生物转化和电催化的协设计成功地组建了具有生物兼容性的电催化-微生物整合系统，实现二氧化碳 到脂质的高效生产。该系统可达到4.5% 的太阳能到分子的能量转化效率，远高于基于自然光合作用的生物柴油生产平台。高效的能量转化和生产率进一步转化成更有效的土地利用，实现现有大豆柴油平台用地面积的1/45。该工作为高效整合电催化-微生物系统实现二氧化碳高值化提供了新的视角， 尤其是为电催化二碳生产路径和微生物二碳代谢路径的协同整合提供了新颖的角度，也为高效地利用可再生能源生产现代文明所需要的燃油，材料，和其他产品提供一个新的视角和途径，进而从根本上解决对石化燃料的依赖。
第一作者：陈剀楠，张鹏
通讯作者：Joshua S. Yuan，Susie Y. Dai
单位：圣路易斯华盛顿大学、德州农工大学，密苏里大学
研究背景
全球变暖是当今世代最主要的环境和可持续发展的挑战。低碳经济和节能减排在全球各个国家的发展战略中都至关重要。柴油是最难实现脱碳或是零排放生产的主要碳排放源头之一。根据 Statista 的数据，2022 年柴油燃料的使用约贡献了全球二氧化碳总排放量的 百分之十二。多年来，生物柴油作为化石柴油的潜在替代被持续关注。然而，生物燃料的总体太阳能到化学能转换效率受到光合作用效率的限制。陆生植物的光合作用效率通常限制在 1% 左右，这使得在有限的可耕地上用生物燃料满足运输需求成为不可能。推而广之，由于光和效率的低下和耕地的有限，人类不可能利用有限的耕地去生产支撑现代文明所需要的燃料，食物，材料，和化学品。这就是替代石化能源而实现减少碳排放成为难以实现的挑战。我们必须寻求新的思路去实现高能效的二氧化碳转化，以生产各类燃油和化工产品。
利用电催化和生物转化的集成从二氧化碳中高效生产电生物柴油为应对该挑战提供了思路。这种电催化-微生物转化一体化策略融合了前者的高效率和高转化率以及后者在产物多样性方面的优势，同时克服了各自在长链化合物合成难和碳固定能效低方面的局限性。不同于大部分利用一碳电催化产物如甲酸、一氧化碳等作为中间体的研究，文章作者团队致力于探索了二碳中间体如乙醇、乙酸在集成电催化过程和微生物转化过程中的优势，并在先前的工作中展示了以乙酸和乙醇作为连结分子从二氧化碳生产生物塑料多聚物的集成系统（Chem 8, 3363-3381）。
二碳化合物乙醇和乙酸作为连结分子，其在电催化端的生产以及微生物端的利用共同决定了集成系统对二氧化碳转化以及目标产物生成表现和效率。然而，目前缺乏对连结分子在下游微生物转化过程的生物能量和代谢特性的了解，继而也缺乏对它们在上游电催化端生产的如何调控的认识。要实现高效的从二氧化碳生产电生物柴油就必须探索和回答这些问题。
本文要点
要点一：电催生物柴油的策略路径
本研究提出了一种电催-微生物整合的路径，通过电催化将CO2转化为C2中间体，随后利用微生物将这些中间体转化为适合用于生物柴油的长链脂质。该方法利用电催化固碳克服了传统生物柴油固碳及能量转化效率低下的限制，同时绕过了电催化端难以合成长链化合物的难题，具有高效合成长链脂质，高能量转化率，以及高土地利用效能的优势。
要点二：C2中间体的生物能量与代谢限制
理论计算和代谢建模表明，由于乙醇相比乙酸具有更高的能量，因此也应具有比乙酸更高的脂质合成能力。但作者在实际实验中发现乙醇并未支持更高的脂质合成产量。通过一系列关键因素测量和代谢组学分析，作者揭示了将C2中间体（如乙酸和乙醇）用于脂质生物合成的代谢限制和生物能量消耗，即乙醇代谢的还原力不平衡和酸化效应和乙酸转化的额外ATP消耗。这些分析为解决C2中间体转化过程中的关键限制因素提供了指导。
要点三：代谢工程增强C2脂质的生物合成
鉴于代谢模型反映了乙醇-脂质合成过程的一种优化状态，作者对比代谢模型的模拟结果与实际发酵实验结果，制定了相应的代谢工程策略以实现三个优化目标，即增强生物体内的流向脂质合成的碳流，减少乙醇氧化成乙酸造成的酸化及ATP消耗，以及增强NADH到NADPH的转化。通过调整数个关键酶的活性和碳流路径，该代谢工程策略构建了工程菌，增强了C₂碳源的利用效率，减轻了乙醇的代谢限制，提高脂质合成产量。
要点四：双金属催化剂共设计赋能脂质转化
鉴于构建的工程菌能有效的释放乙醇的代谢潜力，乙醇产生的还原力很可能可以驱动乙酸转化为脂质，从而提高整体碳转化效率。作者设计了一系列具有不同乙醇乙酸比例的C2混合底物作为碳源来探究乙醇和乙酸共底物效应。作者发现最优比例的C2混合底物比单底物（乙醇或乙酸）支持更高的脂质合成产量。作者进而开发了一种双金属催化剂，通过将两种金属组合在一起，以增强催化活性和选择性， 可实现C2产物中乙醇乙酸比例的精准调控，为下游微生物脂质合成提供最优C2混合碳源。
要点五：集成系统实现CO2到脂质高效合成
在实现了微生物和双金属催化剂的共设计的基础上，作者进一步将它们整合起来并搭建了一个集成的电催-微生物转化系统，通过将电催化反应与微生物转化过程整合到单一反应器中，实现CO2到电催生物柴油的高效转化。该集成系统实现了1.8 g/L/day 的脂质合成速率，是已报道的藻类脂质合成平台的6倍之高，显示了电生物柴油系统以及催化剂和微生物的共同设计相比于自然系统从二氧化碳中产生脂质的优势。作者进一步计算了该电催生物柴油生产路径的整体能量转化效率为4.3%，显著高于传统的生物柴油生产工艺。同时，与大豆生物柴油的生产相比，这种方法的土地使用效率提升了约45倍，使其更具可行性和可持续性。另外，作者对放大后的该系统进行技术经济分析以及生命周期分析，得出该路径生产的电催生物柴油价格可低至$2.36/kg，并有望实现1.57 g CO2/g 的固碳能效。
作者介绍
袁戎华
讲席教授
袁戎华（Joshua Yuan）博士现任圣路易斯华盛顿大学 Lucy & Stanley Lopata讲席教授；能源、环境和化学工程系系主任；以及生物制造碳利用(CURB)国家工程研究中心(NSF Engineering Research Center)主任。此前，他自 2008 年起在德克萨斯农工大学任教，并于 2018 年被任命为合成生物学和可再生产品讲席教授。袁博士的致力于科技创新以促进可持续发展。他的研究领域涵盖二氧化碳利用、可再生生物材料、生物质加工和生物精炼，以及合成和系统生物学。他的团队开发了多种碳利用和转化途径，包括基于藻类和电催化微生物混合工艺。他的实验室也基于功能结构研究开发了各类生物基材料，包括碳纤维，可降解塑料等。他已获得四项美国专利，还有五项正在申请中。他撰写了 100 多篇同行评审的期刊文章，发表在Joule，Chem、Matter、Nature Communications、Green Chemistry、Advanced Sciences 和 PNAS等期刊上。他获得了众多奖项和荣誉，包括2017年德州农工大学系统卓越创新奖和2007年Gamma Sigma Delta杰出研究生奖等。他现在是英国皇家化学学会会士。
戴沅
教授
戴沅教授（Professor Susie Dai）于2001年在复旦大学获得化学学士学位，并于2006年在杜克大学获得化学博士学位。她现为密苏里大学哥伦比亚分校化学与生物医学工程系教授，通过该校的“MizzouForward”战略计划招聘入职。此外，她还是由美国国家科学基金会（NSF）资助的CURB（通过生物制造驱动的脱碳和碳利用重构）以及共同项目负责人（Co-PI）。在加入密苏里大学之前，戴教授曾在德州农工大学任教，并担任合成与系统生物学创新中心的主任。从2016年至2019年，戴博士曾任爱荷华州州卫生实验室（State Hygienic Laboratory）的副主任（该实验室为公共和环境卫生监测的州级机构）及其环境健康部门的主任。在2008年至2016年间，戴博士在德州农工大学和德克萨斯州化学实验室办公室担任研究助理教授和研究副教授，主导该州政府部门的科研和负责外联和服务工作。在这个独特的职业发展过程中，她结合基础研究、工程解决方案以及社区推广，在环境和能源领域里独有建树。她的研究集中于三个主要方向，包括对碳废料的可持续利用系统，利用电生物整合系统进行二氧化碳的增值转化，推进针对持久性污染物的可持续治理，以及通过工程干预实现社区转型。她的实验室结合了化学、生物学和工程学的原理，以应对当代重大挑战。特别是，她的实验室开发了全新的电生物转化系统，使用生物相容性中间体和电解质，达到了创纪录的生产效率，并开发了仿生材料，在去除PFAS方面取得了前所未有的效率。她已在包括Joule、Chem、Nature Communications、PNAS、Advanced Science和Angew. Chem. Int. Ed.等顶级期刊上发表了50多篇论文。
陈剀楠
博士后
陈剀楠，现为美国圣路易斯华盛顿大学博士后，本科与硕士毕业于厦门大学，博士毕业于美国德州农工大学。主要研究方向为电化学系统和微生物系统的整合在生物制造和环境污染处理方面的应用。相关研究成果以第一作者（含共同）发表于Joule、Chem等期刊。
张鹏
特聘研究员
张鹏，现任中国科学院兰州化学物理研究所特聘研究员。本科毕业于华东理工大学，博士毕业于中国科学院化学研究所，从事绿色化学研究，导师为韩布兴院士。先后在中国科学院过程工程研究所（助理研究员，张锁江院士团队），美国德州农工大学化学系（博士后研究员，合作导师为Hong-Cai Zhou教授），以及该校农学与生命学部（研究科学家，Joshua Yuan与Susie Dai团队）从事研究工作。致力于将材料合成、催化转化与工程手段相结合，建立二氧化碳等可再生碳资源有效利用的新方法，以第一（含共同）/通讯作者在Joule、Chem、J. Am. Chem. Soc、Angew. Chem. Int. Ed.等期刊上发表研究论文多篇。
相关论文信息
原文刊载于Cell Press细胞出版社
旗下期刊Joule，