碳中性的生物化学制品：利用甲酸将二氧化碳转化为有价值的材料

鉴于温室气体排放的增加，碳捕获，即从大型排放源中封存二氧化碳，是一个紧迫的问题。在自然界中，二氧化碳的同化作用已经发生了数百万年，但其能力远远不足以补偿人为的排放。

甲酸盐可以被设想为碳中性生物经济的核心，它通过（电）化学手段从二氧化碳中生产出来，并通过酶的级联反应或工程微生物转化为增值产品。扩大合成甲酸盐同化的一个关键步骤是将其在热力学上具有挑战性地还原成甲醛，在这里可以看到黄色的颜色变化。资料来源：马克斯-普朗克陆地微生物学研究所/盖瑟尔

由马克斯-普朗克陆地微生物研究所的Tobias Erb领导的研究人员正在利用大自然的工具箱来开发新的二氧化碳固定方式。他们现在已经成功地开发出一种人工代谢途径，从甲酸中产生高活性的甲醛，这是一种可能的人工光合作用的中间产品。甲醛可以直接进入几个代谢途径，形成其他有价值的物质，而没有任何毒性影响。正如在自然过程中，需要两个主要成分： 能量和碳。前者不仅可以由阳光直接提供，也可以由电力提供--例如由太阳能模块提供。

在增值链中，碳源是可变的。二氧化碳不是这里的唯一选择，所有的单碳（C1构件）都会出现问题：一氧化碳、甲酸、甲醛、甲醇和甲烷。然而，几乎所有这些物质都有剧毒--要么对生物体（一氧化碳、甲醛、甲醇），要么对地球（作为温室气体的甲烷）。只有甲酸，在中和成甲酸盐后，许多微生物可以容忍高浓度的甲酸。

"甲酸是一个非常有前途的碳源，"该研究的第一作者Maren Nattermann强调说。"但是在试管中把它转化为甲醛是相当耗能的。这是因为甲酸的盐，即甲酸盐不能轻易转化为甲醛。这两个分子之间有一个严重的化学障碍，我们必须用生化能量--ATP--来弥合，然后才能进行实际的反应。"

研究人员的目标是找到一种更经济的方法。毕竟，将碳送入新陈代谢所需的能量越少，剩下的能量就越多，以推动生长或生产。但这样的路径在自然界并不存在。"发现具有多种功能的所谓杂交酶需要一些创造力，"托比亚斯-埃尔伯说。"然而，发现候选酶只是一个开始。我们正在谈论的是可以一起计算的反应，因为它们是如此缓慢--在某些情况下，每一种酶每秒不到一个反应。自然反应的发生速度可以快上千倍"。这就是合成生物化学的作用

马伦-纳特曼说："如果知道一种酶的结构和机制，你就知道该在哪里进行干预。在这里，我们从我们的同事在基础研究方面的初步工作中大大受益。"

酶的优化包括几种方法：构件被特别交换，随机突变被产生并被选择为能力。"甲酸盐和甲醛都非常合适，因为它们能穿透细胞壁。我们可以将甲酸盐放入产生我们的酶的细胞的培养基中，几小时后，将产生的甲醛转化为无毒的黄色染料，"马伦-纳特曼解释说。

如果不使用高通量方法，就不可能在这么短的时间内取得这一结果。为了实现这一目标，研究人员与他们的工业伙伴--位于德国埃斯林根的费斯托公司进行了合作。"Maren Nattermann说："在大约4000个变体之后，我们实现了生产的四倍改善。我们因此为模型微生物大肠杆菌（生物技术中的微生物主力军）在甲酸上生长奠定了基础。然而，就目前而言，我们的细胞只能产生甲醛，而不能进一步转化。"

与马克斯-普朗克分子植物生理学研究所的合作伙伴Sebastian Wenk一起，研究人员目前正在开发一种可以吸收中间产物并将其引入中心代谢的菌株。与此同时，该团队正在与马克斯-普朗克化学能源转换研究所由Walter Leitner领导的一个工作组进行二氧化碳到甲酸的电化学转换研究。长期目标是一个"一体化平台"--从二氧化碳通过电生物化学过程到胰岛素或生物柴油等产品。