天津工業生物技術研究所甘氨酸合成新途徑

近日，中國科學院天津工業生物技術研究所（以下簡稱天津工業生物所）體外合成生物學中心與來自中國科學院微生物研究所和山東大學的研究團隊合作，在還原甘氨酸途徑的啟發下，構建了電能驅動的體外多酶催化系統，克服了熱力學障礙，首次實現了一鍋法生物電催化二氧化碳加氨合成甘氨酸。

甘氨酸是自然界中分子結構最簡單的氨基酸，在農藥、飼料、食品、醫藥等領域有廣泛應用。但目前甘氨酸是從具有毒性或腐蝕性的原料通過化學法合成，開發綠色安全的新合成路線具有重要意義。利用化學電催化將二氧化碳和氨合成氨基酸一直是化學家探索的方向，但化學催化劑在轉化二氧化碳方面選擇性欠佳，難以高效合成多碳和含氮分子。

研究團隊首先對二氧化碳還原到甲酸、基于四氫葉酸的甲酸轉化、基于甘氨酸裂解系統的甘氨酸合成以及輔酶再生四個模塊分別進行了構建和驗證。特別是團隊前期開發了基于銅電極和甲酸脫氫酶的高效輔酶再生模塊，解決了輔酶易失活的問題，大幅提升了甲酸濃度，以便推動其后續生物轉化。通過挖掘雙功能酶、優化反應條件、提高多酶間和酶與輔酶間的相互適配性等，進一步解決了輔酶需求不匹配、固碳與氨素利用難以協同等問題，將甘氨酸產量提升至0.81 mM，最高合成速度達8.69 mg/L/h，最大法拉第效率達96.8%。

此外，同位素標記結果可證實甘氨酸中的碳原子和氮原子均來自于二氧化碳和氨。經估算，該系統的最大理論能量效率可達50.3%（考慮電驅動輔酶再生反應過電勢）到83.6%（不考慮過電勢）。該研究展示了一條利用生物電催化系統將二氧化碳加氨合成甘氨酸的新路線，也為以二氧化碳為原料合成更多含氮高值化學品提供了新思路。相關論文發表在《德國應用化學》上。

天津工業生物所副研究員吳冉冉和博士后李飛為共同第一作者，朱之光研究員為論文通訊作者。該研究獲得了天津市合成生物技術創新能力提升行動、國家自然科學基金和海河實驗室項目的支持。

相關論文信息：https://doi.org/10.1002/anie.202218387