氫能驅(qū)動的生物制造新突破：科學(xué)家用酶法將甲酸高效轉(zhuǎn)化為高價值化學(xué)品

全球變暖的挑戰(zhàn)與碳固定的新希望

隨著全球二氧化碳排放量持續(xù)攀升，如何將溫室氣體轉(zhuǎn)化為有用化學(xué)品成為科學(xué)界的熱點。C1化合物（如二氧化碳、甲酸）作為碳固定的關(guān)鍵原料，其高效轉(zhuǎn)化技術(shù)被視為實現(xiàn)碳中和的“鑰匙”。然而，傳統(tǒng)生物還原反應(yīng)依賴昂貴的輔因子NADH，且副產(chǎn)物問題突出，制約了工業(yè)化應(yīng)用。

近日，北京化工大學(xué)與德國亞琛工業(yè)大學(xué)聯(lián)合團隊在《化學(xué)科學(xué)與工程前沿》發(fā)表研究，提出一項革命性技術(shù)：利用氫氣驅(qū)動的氫酶再生NADH，成功將甲酸高效轉(zhuǎn)化為二羥基丙酮（DHA）。這一突破不僅解決了輔因子再生的經(jīng)濟性難題，還為碳固定技術(shù)開辟了一條綠色新路徑。

氫酶：自然界的“能量轉(zhuǎn)換器”

NADH是生物還原反應(yīng)中的“能量貨幣”，但其高昂成本限制了工業(yè)應(yīng)用。傳統(tǒng)方法通過葡萄糖或甲酸再生NADH，但會產(chǎn)生大量副產(chǎn)物，且能效低下。研究團隊另辟蹊徑，選擇了一種名為[NiFe]-氫酶（SH）的天然催化劑。這種酶能夠利用氫氣（H?）將氧化態(tài)輔因子NAD?還原為NADH，且反應(yīng)原子利用率達(dá)100%，全程無副產(chǎn)物生成。

“氫酶就像生物界的‘能量轉(zhuǎn)換器’，”論文通訊作者徐海軍教授解釋，“氫氣作為清潔能源，不僅成本低廉，還能在常溫常壓下驅(qū)動反應(yīng)，大幅降低能耗?！?/p>

熱力學(xué)優(yōu)化：打破反應(yīng)能量壁壘

C1化合物的還原反應(yīng)通常面臨熱力學(xué)障礙。以甲酸還原為甲醛為例，其標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能變化（ΔrG'）高達(dá)44.6 kJ·mol?1，難以自發(fā)進(jìn)行。團隊通過熱力學(xué)計算發(fā)現(xiàn)，通過提高NADH濃度并耦合后續(xù)反應(yīng)，可顯著降低能量壁壘。

實驗中，研究人員構(gòu)建了一個體外酶級聯(lián)系統(tǒng)：

1. 甲醛脫氫酶（FaldDH）將甲酸轉(zhuǎn)化為甲醛，消耗NADH；
2. 氫酶（SH）持續(xù)利用氫氣再生NADH；
3. 甲醛縮合酶（FLS-M3）將三個甲醛分子高效縮合為一個DHA分子。

通過優(yōu)化反應(yīng)條件（pH 7.5、離子強度0.25 mol·L?1），最終級聯(lián)反應(yīng)的ΔrG'降至-20.6 kJ·mol?1，使整個路徑在熱力學(xué)上可行。

工業(yè)級成果：2小時生成373 μM DHA

在實驗中，團隊通過異源表達(dá)技術(shù)在大腸桿菌中高效生產(chǎn)氫酶，并通過添加鎳離子（NiCl?）提升酶的穩(wěn)定性。優(yōu)化后的反應(yīng)系統(tǒng)在2小時內(nèi)產(chǎn)出373.19 μmol·L?1的DHA，甲酸轉(zhuǎn)化率達(dá)7.47%，較傳統(tǒng)方法提升顯著。

“DHA是醫(yī)藥、化妝品等領(lǐng)域的重要原料，傳統(tǒng)化學(xué)生產(chǎn)依賴化石能源，”論文第一作者孫瑞霜表示，“我們的技術(shù)用甲酸——一種可通過二氧化碳電化學(xué)還原獲得的原料——替代石油，真正實現(xiàn)了‘負(fù)碳制造’?！?/p>

綠色潛力：從實驗室到工業(yè)化的跨越

該技術(shù)的核心優(yōu)勢在于其可持續(xù)性：

• 原料綠色：甲酸可通過可再生能源驅(qū)動的CO?還原制備；
• 過程清潔：氫氣作為電子供體，反應(yīng)僅生成水；
• 系統(tǒng)高效：體外酶級聯(lián)避免了細(xì)胞代謝的復(fù)雜性，易于放大生產(chǎn)。

研究團隊指出，未來可通過固定化酶技術(shù)提升氫酶的長期穩(wěn)定性，并與上游CO?捕集、下游化學(xué)品合成技術(shù)整合，構(gòu)建完整的“二氧化碳—甲酸—DHA—高附加值產(chǎn)品”產(chǎn)業(yè)鏈。

挑戰(zhàn)與展望

盡管成果顯著，該技術(shù)仍面臨兩大挑戰(zhàn)：

1. 氫酶復(fù)雜性：氫酶由多個亞基構(gòu)成，體外表達(dá)和活性維持成本較高；
2. 規(guī)?；款i：氫氣在水中的低溶解度可能限制反應(yīng)速率。

對此，徐海軍教授表示：“我們正在探索酶固定化技術(shù)和反應(yīng)器設(shè)計優(yōu)化，目標(biāo)在5年內(nèi)實現(xiàn)中試生產(chǎn)?！?/p>

結(jié)語：氫能驅(qū)動的生物制造新時代

這項研究不僅為碳固定提供了新工具，更展示了氫能在生物制造中的巨大潛力。正如論文所述，將可再生能源（如太陽能制氫）與酶催化結(jié)合，有望打造零碳排的“生物工廠”。隨著技術(shù)迭代，未來我們或?qū)⒖吹礁嘁訡O?為原料的綠色化學(xué)品走向市場，為地球按下“減碳加速鍵”。

“每一分子DHA的合成，都是對碳中和承諾的踐行?！毙旌＼娊淌诳偨Y(jié)道。這項來自中國與德國的合作研究，正為全球綠色化學(xué)工業(yè)書寫新的篇章。