关键词 |SynBio团队|王丹教授|二氧化碳转化

【SynBioCon】获悉，近日，重庆大学王丹教授团队构建了一种新型多酶级联-电化学耦合系统，以乙醇和CO₂为底物高效合成L-乳酸。该工作发表在《Green Chemistry》期刊上。

该系统通过构建多酶级联体系、丙酮酸脱羧酶（PDC）定向进化、建立基于电化学的NADH再生体系及离子液体（ILs）增溶CO₂等关键技术，解决了多酶级联体系合成中NADH依赖、底物转化率低等瓶颈。在最优条件下，L-乳酸产量达4.14mM，放大生产后进一步提升至22.5 mM（2.03 g/L），原子利用率达100%，该研究为CO₂资源化利用及绿色化学品合成提供了新策略。

1．构建无外源NADH依赖的多酶级联体系，通过ADH、PDC、LDH三种酶完成乙醇→乙醛，CO₂→丙酮酸→L-乳酸的转化。

2．锁定PDC为限速酶，经随机突变获得高活性突变体Ptdqy (A25T/H414D/E473Q/I476Y)，其Kcat/Km值较野生型提升2.92倍，L-乳酸产量增加2.94倍。

3．搭建电化学平台，在-1.5 V、0.2 mM NAD⁺条件下实现NADH高效再生，较纯酶体系产量提升18%，解决辅酶再生难题。

4．筛选[CH][His]离子液体作为溶剂，其CO₂吸附容量达0.57 mol/mol，L-乳酸产量提升1.89倍。

5．成功实现规模化放大，以50 mM乙醇为底物，合成22.5 mM（2.03 g/L）L-乳酸，成本较微生物发酵路线低10%，原子利用率100%。

图表解读


核心内容：图1A展示多酶级联体系合成L-乳酸的完整路径，ADH、PDC、LDH依次催化三步反应，NAD⁺/NADH循环再生，原子利用率100%；图1B通过单一酶浓度实验，验证PDC为限速酶。

关键结论：PDC浓度加倍后，L-乳酸产量提升85%，而ADH和LDH加倍后产量无显著增长，明确PDC是整个反应的速率限制因素。


突变体Ptdqy (A25T/H414D/E473Q/I476Y)：增加氢键提升酶与底物的结合，优化底物通道使底物更易接近活性中心。

动力学数据显示，突变体Km值从1.31 mM降至0.93 mM，Kcat值从8.11 s⁻¹提升至16.73 s⁻¹，底物亲和力与催化速率同步提升。

核心内容：ThDP辅酶与PDC突变体Ptdqy协同作用的催化过程，依次展示ThDP去质子化形成碳负离子/卡宾、与乙醛结合生成2-羟乙基-ThDP、再与CO₂发生亲核反应生成2-丙酰基-ThDP，最终生成丙酮酸的完整路径。

关键结论：突变体通过改变酶活性中心结构，实现乙醛极性反转，使其从亲电化合物转变为亲核化合物攻击CO₂，突破CO₂化学惰性限制，反向驱动PDC的羧化反应。


核心内容：图4A探究pH对L-乳酸产量的影响；图4B-D分别优化ADH、Ptdqy、LDH的浓度。

关键结论：pH=9.0时产量最优（兼顾反应热力学可行性与酶活性稳定性）；最优酶浓度为ADH 0.01 mg/mL、Ptdqy 0.12 mg/mL、LDH 0.08 mg/mL，此时L-乳酸产量达1.85 mM。

核心内容：图5A-B探究初始NAD⁺浓度对活性1,4-NADH再生的影响，图5C-D分析电极电位的作用，图5E对比纯酶体系与电-酶耦合体系的L-乳酸产量。

关键结论：0.2 mM NAD⁺浓度、-1.5V，活性NADH再生效率最高，耦合体系产量较纯酶体系提升18%，实现NADH的持续供应。

核心内容：图6A对比不同离子液体的CO₂吸附容量（nCO₂/nIL），图6B为添加不同离子液体后L-乳酸的相对产量。

关键结论：[CH][His]离子液体的CO₂吸附容量达0.57 mol/mol，使L-乳酸产量较Tris缓冲液体系提升1.89倍，是最优溶剂选择。

启示与思考

碳源利用新方向：从粮食依赖到废气回收

该研究以CO₂和乙醇为底物，打破传统L-乳酸生产对葡萄糖的依赖，为工业废气CO₂的资源化利用提供了可落地的技术路径。

催化体系设计新思路：多技术协同突破瓶颈

通过“酶定向进化+电化学耦合+离子液体增效+反应条件优化”的四维策略，系统性解决了CO₂溶解度低、辅酶成本高、酶催化效率有限、反应条件适配性差四大核心难题。这种跨领域技术融合的设计思路，为复杂生物催化反应的工业化应用提供了重要参考。

工业应用潜力：兼顾环保与经济性

该系统不仅实现了绿色生产（原子利用率100%），更通过规模化验证和成本控制降低了L-乳酸合成成本。其稳定的反应体系、简化的下游纯化流程、可扩展的平台特性，使其有望替代传统发酵路线，应用于食品、化工、生物可降解材料等领域。

未来优化方向

目前NAD⁺仍占较大比例成本，后续可通过进一步优化电化学再生系统、开发更高效的辅酶循环策略降低成本；同时可探索该耦合平台在其他CO₂转化合成高价值化学品（如丙酮酸、乙醇酸等）中的应用，拓展技术适用范围。

概念学习

1. L-乳酸与聚乳酸（PLA）

L-乳酸是含手性碳的C3化合物，是食品、化工、材料领域关键原料，更是生物可降解塑料PLA的单体。

PLA具备良好的生物相容性与可降解性，能在自然环境中被微生物分解，是传统石油基塑料的理想替代材料，广泛应用于包装、医疗、纺织等领域。传统L-乳酸生产依赖粮食作物发酵，而本研究以CO₂和乙醇为原料，既降低成本又避免粮食竞争，为PLA绿色生产提供新路径。

2. 多酶级联反应与限速酶

多酶级联反应是在体外构建的酶催化反应链，通过多种酶协同作用，将底物逐步转化为目标产物，具有底物灵活性高、反应效率高、产物易分离等优势。

限速酶是反应链中催化效率最低的酶，其活性直接决定整个反应的速率与产量，通过定向进化、定点突变等技术改造限速酶，是提升多酶体系效率的核心策略。

本研究中PDC作为限速酶，经随机突变后催化效率提升近3倍，成为产量突破的关键节点。

3. 辅酶再生与电化学耦合

NADH是生物催化中常用的还原型辅酶，但其价格昂贵且易氧化失活，持续添加会大幅增加生产成本，因此辅酶再生是体外酶催化体系工业化的核心难题。

电化学提供H+，实现NAD⁺向NADH再生，具有条件温和、可控性强、成本低等优势，可与多酶体系协同构建自循环反应系统。

本研究中采用电化学持续再生NADH，不仅摆脱了外源辅酶依赖，还使产量提升18%，为同类酶催化体系提供了低成本辅酶补给方案。

4. 离子液体（ILs）的特性与应用

离子液体是由离子组成的室温熔盐，具有蒸气压低、化学稳定性高、对有机和无机物都有良好的溶解性能等特点，且能通过氢键、静电作用等增强CO₂溶解度。

在酶催化反应中，离子液体可替代传统有机溶剂，既解决CO₂等的溶解难题，又能减少酶的变性失活，提升反应稳定性与效率。

本研究筛选的[CH][His]离子液体，同时实现了CO₂增溶与酶结构稳定双重功能，是L-乳酸产量提升的重要助力。

作者简介

通讯作者

王丹教授，重庆大学化学化工学院教授/博士生导师/西部智慧生物制造创新中心主任，重庆市低碳合成生物制造高校重点实验室主任，国家重点研发计划首席科学家（2022年），重庆市杰出青年基金获得者（2021年），万华化学集团讲席教授（2024年），泰山产业领军人才（2023年），侯德榜化工科学技术奖“青年奖”获得者（2022年），世界纯粹与应用化学联合会（IUPAC）青年科学家（2008年），中国化工学会科技进步奖获得者（第一完成人，2020年）。第八届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛全国银奖、重庆市金奖项目第一指导老师（2022年），中国化工学会生物化工专业委员会常务委员，中国生物工程学会青年工作者委员会委员，重庆市青年科学家创新联盟理事长，重庆市化工新材料技术创新战略联盟秘书长，第一届中国西部合成生物制造国际前沿研讨会执行主席。

长期从事生物合成化学品、化工新材料及化工过程研究，助力实现碳达峰和碳中和。以第一/通讯作者在Adv. Sci., Metab. Eng., Green Chem., Bioresour. Technol., Carbohydr. Polym., ACS Synth. Biol., Int. J. Biol. Macromol., Biotechnol. Bioeng.和J. Environ. Manage.等高质量期刊发表SCI论文100余篇，总引3200余次，H-index 37。

第一作者

梁山泉，重庆大学化学化工学院助理研究员，长期从事合成生物学与功能糖生物制造相关研究，以第一作者在Adv. Sci., Green Chem., Carbohydr. Polym., J. Agric. Food Chem., Syn. Syst. Biotechno.和Appl Microbiol Biot.等业内期刊发表SCI论文多篇。

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