近日，中国科学院天津工业生物技术研究所体外合成生物学中心与中国科学院微生物研究所、山东大学的研究团队合作，首次实现了生物电催化二氧化碳加氨一锅法合成甘氨酸。
甘氨酸是自然界中分子结构最简单的氨基酸，在农药、饲料、食品、医药等领域有广泛应用。目前，甘氨酸主要通过化学法合成，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分子。
近年来，随着绿色发电技术的发展，以清洁电能驱动生物催化的生物电催化技术越来越受到关注，这也为二氧化碳直接转化为复杂分子提供了可能。
中国科学院天津工业生物技术研究所副研究员吴冉冉告诉记者，研究团队构建了电能驱动的体外多酶催化系统，突破了生物固碳过程热力学的限制，将“固碳”与“聚碳、聚氨”过程成功耦合。该系统包含二氧化碳还原到甲酸、基于四氢叶酸的甲酸转化、基于甘氨酸裂解系统的甘氨酸合成以及辅酶再生四个模块。
首先，对四个模块分别进行了构建和验证。特别是团队前期开发了基于铜电极和甲酸脱氢酶的高效辅酶再生模块，解决了辅酶易失活的问题，大幅提升了甲酸浓度。通过挖掘双功能酶、优化反应条件、提高多酶间和酶与辅酶间的相互适配性等，进一步解决了辅酶需求不匹配、固碳与氨素利用难以协同等问题，将甘氨酸产量提升至0.81毫摩尔。
同位素标记结果也证实甘氨酸中的碳原子和氮原子均来自二氧化碳和氨。
“该研究展示了一条利用生物电催化系统将二氧化碳加氨合成甘氨酸的新路线，也为以二氧化碳为原料合成更多含氮高值化学品提供了新思路。”中国科学院天津工业生物技术研究所研究员朱之光说。
该项研究得到了天津市合成生物技术创新能力提升行动、国家自然科学基金和海河实验室项目的支持，相关论文发表在国际期刊《德国应用化学》上并被选为封面论文。
