來(lái)源：《中國(guó)科學(xué)報(bào)》第3版 綜合
發(fā)布時(shí)間：2025-07-03
■本報(bào)記者 孫丹寧
酸奶杯、可降解購(gòu)物袋、手術(shù)縫合線……這些日常物品背后可能藏著一個(gè)共同的“生命之源”——L-乳酸。這種有機(jī)小分子不僅是生物可降解塑料的單體，也廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥等民生領(lǐng)域。然而，其傳統(tǒng)生產(chǎn)高度依賴糧食發(fā)酵。
如何在實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)和保障糧食安全的背景下，找到低碳可持續(xù)發(fā)展途徑？破局的曙光，居然是令人意想不到的二氧化碳。
近日，中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員（以下簡(jiǎn)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(jìn)展。他們通過(guò)人工光合成交叉合成生物學(xué)，利用二羥基丙酮（DHA）作為中間體，實(shí)現(xiàn)了利用太陽(yáng)能等可再生能源從二氧化碳和水合成光學(xué)純L-乳酸，為突破資源與環(huán)保雙重困境開辟了新路徑。相關(guān)成果發(fā)表于美國(guó)化學(xué)會(huì)期刊《人工光合成》，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，是賦予酸奶獨(dú)特酸爽風(fēng)味的“功臣”、化妝品中溫和的pH值調(diào)節(jié)劑、醫(yī)藥領(lǐng)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%，成為當(dāng)之無(wú)愧的“綠色塑料”代表，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械、3D打印、食品包裝、農(nóng)用地膜、一次性餐具等領(lǐng)域。隨著綠色可持續(xù)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變，PLA市場(chǎng)需求呈爆發(fā)式增長(zhǎng)，直接推高了對(duì)單體L-乳酸的需求。
然而，繁榮背后暗藏隱憂。長(zhǎng)期以來(lái)，L-乳酸工業(yè)生產(chǎn)高度依賴一條看似成熟的路徑：以玉米、薯類等作物為原料，通過(guò)微生物發(fā)酵制取。“大規(guī)模使用糧食資源生產(chǎn)工業(yè)原料，將對(duì)我國(guó)糧食安全構(gòu)成潛在威脅，絕非可持續(xù)發(fā)展之道。”李燦強(qiáng)調(diào)。
如何破解“要環(huán)保”和“保飯碗”兼顧的難題？研究團(tuán)隊(duì)將目光投向溫室氣體的主要成分——二氧化碳。
“近年來(lái)，碳中和理念逐漸深入人心。L-乳酸作為如此重要的化學(xué)品原料，開發(fā)一條利用可再生能源高效轉(zhuǎn)化二氧化碳的綠色合成途徑，對(duì)于實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，乃至保障糧食安全等都具有重要意義。與此同時(shí)，對(duì)催化路徑的探索及催化過(guò)程的理解將為基礎(chǔ)理論研究提供重要參考和指導(dǎo)。”王旺銀告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
二氧化碳的“綠色逆襲”
“PLA的生命周期本身就是一個(gè)潛在的‘碳循環(huán)’閉環(huán)?！蓖跬y解釋說(shuō)。理想狀態(tài)下，利用二氧化碳資源化轉(zhuǎn)化合成PLA，相當(dāng)于將溫室氣體“鎖”進(jìn)塑料制品中，是一個(gè)凈減碳過(guò)程。而當(dāng)這些PLA制品（如餐盒、地膜）結(jié)束使命，在堆肥條件下約3到6個(gè)月即可完全降解，重新變回二氧化碳和水，回歸自然。
從上述自然角度，李燦想到了由自己提出并歷經(jīng)多年發(fā)展的“液態(tài)陽(yáng)光”技術(shù)?！八侵咐锰?yáng)能等可再生能源分解水反應(yīng)制備綠氫，進(jìn)而通過(guò)二氧化碳加氫合成液態(tài)陽(yáng)光甲醇。早在2001年，我們就把目光放在能源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展上，并啟動(dòng)光催化分解水制氫、光電催化制氫等領(lǐng)域的研究，目標(biāo)是把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為可穩(wěn)定儲(chǔ)存、易于運(yùn)輸?shù)囊簯B(tài)太陽(yáng)燃料?！?/p>
2017年，李燦團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出一種高選擇性、高穩(wěn)定性的二氧化碳加氫制甲醇固溶體催化劑。在此基礎(chǔ)上，2020年，團(tuán)隊(duì)結(jié)合已研發(fā)的電催化分解水制氫技術(shù)，在蘭州新區(qū)完成了全球首套千噸級(jí)液態(tài)太陽(yáng)燃料合成的全流程中試項(xiàng)目，邁出了太陽(yáng)能等可再生能源轉(zhuǎn)化為液體燃料的關(guān)鍵一步。他們形象地稱液態(tài)太陽(yáng)燃料為“液態(tài)陽(yáng)光”。
“人工光合成，本質(zhì)上是道法自然光合作用的過(guò)程。如果以液態(tài)陽(yáng)光為基礎(chǔ)，通過(guò)人工光合成與合成生物學(xué)的‘接力’，就可以實(shí)現(xiàn)綠色生物制造?！崩顮N介紹。因此，團(tuán)隊(duì)在這項(xiàng)工作中創(chuàng)新性采取了化學(xué)催化與生物細(xì)胞催化“接力”策略，如同兩位頂尖運(yùn)動(dòng)員完美配合的接力賽。
“能源化學(xué)催化可以更高效地將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)小分子，但在合成高光學(xué)純度的生物基化學(xué)品方面面臨著一定的挑戰(zhàn)?！蓖跬y介紹，“生物細(xì)胞酶催化則恰恰相反，它更善于‘利用’有機(jī)小分子，通過(guò)酶催化劑制造手性結(jié)構(gòu)，高選擇性合成有機(jī)酸、氨基酸糖類等生物分子。”
那么，誰(shuí)來(lái)充當(dāng)“接力棒”？他們從自然界的糖代謝網(wǎng)絡(luò)中找到了答案——DHA。DHA在生物體內(nèi)是糖酵解途徑的“交通樞紐”，四通八達(dá)。選擇它作為中間體，就像在化學(xué)世界與生物世界架起一座高效、通用的橋梁?！癉HA是自然賦予的理想‘交接點(diǎn)’，讓化學(xué)催化與生物催化得以‘雙向奔赴’?！蓖跬y說(shuō)。
99%的轉(zhuǎn)化率
在生物接力環(huán)節(jié)，工程改造的畢赤酵母細(xì)胞展現(xiàn)了高效率。它能夠?qū)HA近乎完美地轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)-乳酸，轉(zhuǎn)化率高達(dá)99%，補(bǔ)料分批發(fā)酵時(shí)L-乳酸產(chǎn)量可達(dá)100g/L以上。“相比之下，傳統(tǒng)以葡萄糖為原料的發(fā)酵法，轉(zhuǎn)化率通常僅70%左右。新路徑在效率和可持續(xù)性上實(shí)現(xiàn)了雙重飛躍?！闭撐牡谝蛔髡?、大連化物所博士生張亞靜說(shuō)。
此外，研究還發(fā)現(xiàn)，DHA在生物代謝途徑中展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。它相當(dāng)于一座“中心車站”，以此為起點(diǎn)，利用合成生物學(xué)手段對(duì)代謝工程進(jìn)行“調(diào)流”，DHA的磷酸化形式二羥丙酮磷酸（DHAP）會(huì)進(jìn)入微生物主流合成代謝途徑，其調(diào)通代謝工程可用于拓展合成多糖和氨基酸等產(chǎn)物。
這項(xiàng)研究是跨學(xué)科智慧碰撞的結(jié)晶。團(tuán)隊(duì)會(huì)集了物理化學(xué)、分子生物學(xué)、合成生物學(xué)等多領(lǐng)域人才。生物背景的曹旭鵬、孫文輝在細(xì)胞工廠構(gòu)建中與張亞靜一起攻堅(jiān)克難，物理化學(xué)背景的宋睿則為光催化環(huán)節(jié)提供了關(guān)鍵支撐。李燦坦言：“最大的挑戰(zhàn)在于融合不同學(xué)科思維。我們堅(jiān)持從基礎(chǔ)原理出發(fā)，化學(xué)與生物互相啟發(fā)、互相驗(yàn)證，才一步步打通了路徑?！?/p>
“該接力催化體系的太陽(yáng)能利用效率在15%以上，為構(gòu)建高效轉(zhuǎn)化二氧化碳和水合成各種高端化學(xué)品，特別是糧食類生物大分子物質(zhì)等，提供了從二氧化碳出發(fā)的合成路徑?！崩顮N說(shuō)。
“在我國(guó)‘雙碳’戰(zhàn)略目標(biāo)和能源轉(zhuǎn)型的背景下，發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力對(duì)科技創(chuàng)新提出了更高要求。未來(lái)，通過(guò)進(jìn)一步的技術(shù)開發(fā)和放大示范驗(yàn)證，我們將積極推進(jìn)從二氧化碳和水合成光學(xué)純L-乳酸的工業(yè)應(yīng)用?！崩顮N表示。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1021/aps.5c00008
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