氢能驱动的生物制造新突破：科学家用酶法将甲酸高效转化为高价值化学品
2025-03-13 10:01:37 阅览：474
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氢酶：自然界的“能量转换器”
NADH是生物还原反应中的“能量货币”，但其高昂成本限制了工业应用。传统方法通过葡萄糖或甲酸再生NADH，但会产生大量副产物，且能效低下。研究团队另辟蹊径，选择了一种名为[NiFe]-氢酶（SH）的天然催化剂。这种酶能够利用氢气（H₂）将氧化态辅因子NAD⁺还原为NADH，且反应原子利用率达100%，全程无副产物生成。
“氢酶就像生物界的‘能量转换器’，”论文通讯作者徐海军教授解释，“氢气作为清洁能源，不仅成本低廉，还能在常温常压下驱动反应，大幅降低能耗。”
热力学优化：打破反应能量壁垒
C1化合物的还原反应通常面临热力学障碍。以甲酸还原为甲醛为例，其标准吉布斯自由能变化（ΔrG'）高达44.6 kJ·mol⁻¹，难以自发进行。团队通过热力学计算发现，通过提高NADH浓度并耦合后续反应，可显著降低能量壁垒。
实验中，研究人员构建了一个体外酶级联系统：
- 甲醛脱氢酶（FaldDH）将甲酸转化为甲醛，消耗NADH；
- 氢酶（SH）持续利用氢气再生NADH；
- 甲醛缩合酶（FLS-M3）将三个甲醛分子高效缩合为一个DHA分子。
通过优化反应条件（pH 7.5、离子强(qiáng)度(dù)0.25 mol·L⁻¹），最(zuì)终(zhōng)级(jí)联(lián)反(fǎn)应(yīng)的(de)ΔrG'降(jiàng)至(zhì)-20.6 kJ·mol⁻¹，使(shǐ)整(zhěng)个(gè)路径在(zài)热(rè)力(lì)学(xué)上(shàng)可(kě)行(xíng)。
工(gōng)业(yè)级(jí)成果：2小时生成373 μM DHA
在实验中，团队通过异源表达技术在大肠杆菌中高效生产氢酶，并通过添加镍离子（NiCl₂）提升酶的稳定性。优化后的反应系统在2小时内产出373.19 μmol·L⁻¹的DHA，甲酸转化率达7.47%，较传统方法提升显著。
“DHA是医药、化妆品等领域的重要原料，传统化学生产依赖化石能源，”论文第一作者孙瑞霜表示，“我们的技术用甲酸——一种可通过二氧化碳电化学还原获得的原料——替代石油，真正实现了‘负碳制造’。”
绿色潜力：从实验室到工业化的跨越
该技术的核心优势在于其可持续性：
- 原料绿色：甲酸可通过可再生能源驱动的CO₂还原制备；
- 过程清洁：氢气作为电子供体，反应仅生成水；
- 系统高效：体外酶级联避免了细胞代谢的复杂性，易于放大生产。
研究团队指出，未来可通过固定化酶技术提升氢酶的长期稳定性，并与上游CO₂捕集、下游化学品合成技术整合，构建完整的“二氧化碳—甲酸—DHA—高附加值产品”产业链。
挑战与展望
尽管成果显著，该技术仍面临两大挑战：
- 氢酶复杂性：氢酶由多(duō)个(gè)亚(yà)基(jī)构(gòu)成(chéng)，体(tǐ)外(wài)表(biǎo)达(dá)和(hé)活(huó)性(xìng)维(wéi)持(chí)成(chéng)本(běn)较(jiào)高(gāo)；
- 规(guī)模(mó)化(huà)瓶(píng)颈(jǐng)：氢(qīng)气(qì)在(zài)水(shuǐ)中(zhōng)的(de)低(dī)溶(róng)解(jiě)度(dù)可(kě)能(néng)限(xiàn)制(zhì)反(fǎn)应(yīng)速(sù)率(lǜ)。
对此，徐海军教授表示：“我们正在探索酶固定化技术和反应器设计优化，目标在5年内实现中试生产。”
结语：氢能驱动的生物制造新时代
这项研究不仅为碳固定提供了新工具，更展示了氢能在生物制造中的巨大潜力。正如论文所述，将可再生能源（如太阳能制氢）与酶催化结合，有(yǒu)望(wàng)打(dǎ)造(zào)零(líng)碳(tàn)排(pái)的(de)“生(shēng)物(wù)工(gōng)厂(chǎng)”。随着技术迭代，未来我们或将看到更多以CO₂为原料的绿色化学品走(zǒu)向(xiàng)市(shì)场(chǎng)，为(wèi)地(de)球(qiú)按(àn)下(xià)“减碳加速键”。
“每一分子DHA的合成，都是对碳中和承诺的践行。”徐海军教授总结道。这项来自中国与德国的合作研究，正为全球绿色化学工业书写新的篇章。