在全球共同应对气候变化的大背景下,发展温室气体(CO2、甲烷等一碳气体)捕集与利用技术,已然成为推动绿色低碳发展以及实现“双碳”目标的关键路径。以一碳温室气体为原料的低碳生物合成技术是典型的碳负性技术,正引领着物质合成的全新范式,对于减缓全球气候变化、达成可持续发展具有重大意义。依克多因,又名四氢嘧啶,是一种源自天然微生物的氨基酸衍生物。作为一种渗透压保护剂,它具有锁水、促进修复以及隔离刺激等特性,被广泛应用于化妆品、食品保鲜、医药保健等领域。当前,化妆品原料依克多因的生产主要以糖基底物生物合成为主,若将温室气体作为其生物制造的原料,不但能够有效降低生产成本,还可以实现可再生碳资源的高效利用,对推动低碳生物合成技术创新以及降低碳排放意义重大。
近年来，我国对温室气体减排与转化利用给予高度重视，然而，如何将一碳温室气体高效转化为长碳链分子（C3+）依旧面临着巨大挑战。化学-生物耦联催化策略在一碳温室气体合成中长链化学品方面展现出巨大潜力，但该杂合系统中化学-生物模块的适配性仍有待提升。针对上述问题，西安交通大学科研团队联合西北大学和电子科技大学等科研人员创新性地提出了一种新型的电化学-生物催化耦合系统，用于将CO?和甲烷升级为高价值化妆品原料依克多因。这项工作创新性地证实了将电化学反应与微生物发酵过程相结合的可行性，实现了电化学-生物催化模块的高效适配，提出了基于一碳温室气体生物制造依克多因的新路线，同时也为缓解全球气候变化提供了一条有效途径。
在这项工作中，研究团队合作致力于开发一种电化学CO2还原反应与甲烷（CH4）微生物转化过程的耦合系统，实现依克多因的一碳生物制造。为满足能源需求并提高微生物转化效率，研究团队首先合成了一种高选择性和生产率的CuPc/BNCNT催化剂，该催化剂能够在经济规模上加速CO2生成CH4（法拉第效率73.5%），接着以高能量的一碳底物CH4为碳源，有效促进工程改造的甲烷氧化菌的生长，经生物转化合成高价值的长碳链分子依克多因。该研究在建立了高效电催化系统之后，利用代谢工程改造和开发两阶段发酵等策略，实现了电催化与可放大的CH4生物转化系统的匹配。值得一提的是，通过电催化系统与生物催化系统的适配，实现了将CO2高效转化为高值产品依克多因（1146 mg L–1），较传统生物转化CO2合成效率提高了10倍，同时显著提升了产率和减碳效益。这一研究成果证实了高值产品电气化生物合成的可行性及巨大潜力，为生物制造和能源储存提供了新的思路和途径。
该研究成果以《可扩展电化学-生物催化耦合系统实现从温室气体合成依克多因》（Scalable Electro-Biosynthesis of Ectoine from Greenhouse Gases）为题，发表在国际顶尖学术期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上。
论文链接：https://doi.org/10.1002/ange.202415445
