“接力跑”讓二氧化碳變乳酸

酸奶杯、可降解購物袋、手術縫合線……這些日常物品背后，可能都藏著一個共同的“生命之源”——L-乳酸。這種有機小分子不僅是生物可降解塑料（如聚乳酸）的單體，更廣泛應用于食品、醫藥等民生領域，地位日益顯著。然而，其傳統生產高度依賴糧食發酵，對我國糧食安全構成潛在威脅。如何在“雙碳”目標和保障糧食安全的背景，找到低碳可持續發展途徑呢？

破局的曙光，來自于意想不到的源頭——二氧化碳。

近日，中國科學院院士、中國科學院大連化學物理研究所研究員（以下簡稱大連化物所）李燦、副研究員王旺銀等在人工光合成-生物制造“接力”合成L-乳酸研究方面取得新進展。他們通過人工光合成交叉合成生物學，利用二羥基丙酮作為中間體，實現了利用太陽能等可再生能源從二氧化碳和水合成光學純L-乳酸，為解決資源與環保雙重困境開辟了新路徑。相關成果發表美國化學會期刊《人工光合成》上，并被選為封面文章。

需求激增背后的“煩惱”

L-乳酸是一種天然存在的手性分子，它是賦予酸奶獨特酸爽風味的“功臣”，是化妝品中溫和的pH調節劑，是醫藥領域的常用原料，也是聚乳酸（PLA）的單體。

PLA屬于聚酯“家族”中生物可降解高分子聚合物材料之一，因其用量占生物可降解材料的近50%，當之無愧為“綠色塑料”的代表，廣泛應用于醫療器械，3D打印，食品包裝、農用地膜、一次性餐具等領域。隨著綠色可持續發展方式的轉變，PLA市場需求呈爆發式增長，直接推高了對單體L-乳酸的需求。

然而，繁榮背后暗藏隱憂。長期以來，L-乳酸的工業生產高度依賴一條看似成熟的道路：以玉米、薯類等糧食作物為原料，通過微生物發酵制取。“大規模使用糧食資源生產工業原料，對我國糧食安全將會構成潛在的威脅，絕非可持續發展之道。”李燦強調。

如何破解“要環保”和“保飯碗”的兩重難題？研究團隊將目光投向溫室氣體的主要成分——二氧化碳。

“近年來，‘碳中和’理念也逐漸深入人心。L-乳酸作為如此重要的化學品原料，開發一條利用可再生能源高效轉化二氧化碳的綠色合成途徑，對于實現碳中和目標，乃至保障糧食安全等都具有重要意義。與此同時，對催化路徑的探索以及催化過程的理解也將為基礎理論研究提供重要參考和指導。”王旺銀告訴《中國科學報》。

二氧化碳的“綠色逆襲”

“聚乳酸塑料的生命周期本身就是一個潛在的‘碳循環’閉環。”王旺銀解釋道。理想狀態下，利用二氧化碳資源化轉化合成聚乳酸，相當于將溫室氣體“鎖”進了塑料制品中，是一個凈減碳過程。而當這些PLA制品（如餐盒、地膜）結束使命，在堆肥條件下約3到6個月即可完全降解，重新變回二氧化碳和水，回歸自然。

從上述自然的角度，李燦想到了一項由自己提出并歷經多年發展的技術——“液態陽光”：“它指的是利用太陽能等可再生能源分解水反應制備綠氫，進而通過二氧化碳加氫合成液態陽光甲醇。早在2001年，我們就把目光放在能源與環境的可持續發展，并開始啟動光催化分解水制氫、光電催化制氫等領域的研究，目標就是把太陽能轉化為可穩定儲存、易于運輸的液態太陽燃料。”

2017年，李燦團隊成功研發了一種高選擇性、高穩定性的二氧化碳加氫制甲醇固溶體催化劑。在此基礎上，2020年，結合團隊研發的電催化分解水制氫技術，在蘭州新區完成了全球首套千噸級液態太陽燃料合成的全流程中試項目，邁出了太陽能等可再生能源轉化為液體燃料的關鍵一步，他們形象地稱液態太陽燃料為“液態陽光”。

“人工光合成，本質上是道法自然光合作用的過程。如果以液態陽光為基礎，通過人工光合成與合成生物學的‘接力’，就可以實現綠色生物制造。”李燦介紹道。

所以，團隊在本工作中創新性地采用了化學催化與生物細胞催化“接力”策略，如同兩位頂尖運動員的接力賽完美配合。

“能源化學催化可以更高效的將二氧化碳轉化為有機小分子，但在合成高光學純度的生物基化學品方面卻面臨著一定的挑戰。”王旺銀介紹道，“但是生物細胞酶催化則恰恰相反，它更善于‘利用’有機小分子，通過酶催化劑制造手性結構，高選擇性合成有機酸、氨基酸糖類等生物分子。”

那么，誰來充當之間的“接力棒”呢？他們從自然界的糖代謝網絡中找到了答案——二羥基丙酮（DHA）。DHA在生物體內是糖酵解途徑的“交通樞紐”，四通八達。選擇它作為中間體，就像在化學世界與生物世界之間架起了一座高效、通用的橋梁。“DHA是自然賦予的理想‘交接點’，讓化學催化與生物催化得以‘雙向奔赴’。”王旺銀說。

99%的轉化率

在生物接力環節，工程改造的畢赤酵母細胞也展現了其高效率。它能夠將DHA近乎“完美”地轉化為L-乳酸，轉化率高達99%，補料分批發酵時L-乳酸產量可達100 g/L以上。“相比之下，傳統以葡萄糖為原料的發酵法，轉化率通常僅70%左右，新路徑在效率和可持續性上實現了雙重飛躍。”論文第一作者、博士生張亞靜說。

并且，研究還發現DHA在生物代謝途徑中展現出獨特優勢。它相當于一個“中心車站”，以此為起點，通過合成生物學手段對代謝工程進行“調流”，由DHA的磷酸化形式二羥丙酮磷酸（DHAP），會進入微生物主流合成代謝途徑，可通過合成生物學方法，調通代謝工程用于拓展合成多糖和氨基酸等產物。

這項研究的成功，也是跨學科智慧碰撞的結晶。團隊匯集了物理化學、分子生物學、合成生物學等多領域人才。生物背景的曹旭鵬研究員，孫文輝博士在細胞工廠構建中與張亞靜一起攻堅克難，物理化學背景的宋睿博士則為光催化環節提供了關鍵支撐。李燦坦言：“最大的挑戰在于融合不同學科思維。我們堅持從基礎原理出發，化學與生物互相啟發、互相驗證，才一步步打通了路徑。”

“該接力催化體系的太陽能利用效率約達15%以上，為構建高效轉化二氧化碳和水合成各種高端化學品，特別是糧食類生物大分子物質等提供了由二氧化碳出發的合成路徑。”李燦說。