协同的化学-酶促甲酸歧化反应与生物分子缩合产物，用于高效生产氨基酸

《Journal of CO2 Utilization》：Synergistic chemo-enzymatic formic acid disproportionation and biomolecular condensates for efficient amino acid production

利用甲酸生物同化受限的问题，本研究提出一种化学-生物耦合策略，通过非酶催化甲酸歧化反应提供热力学驱动力，结合液-液相分离（LLPS）技术优化酶空间组织，实现甘氨酸的高效合成。实验采用 amorphous Bi(OH)CrO4 催化剂，在250℃下将甲酸歧化为甲醛和CO?，热力学分析显示该过程ΔG为-35.3 kJ/mol，显著优于单一还原路径。随后通过LLPS系统将甲醛和CO?输送到反乙酰甘氨酸系统（GCS），酶的空间组装使甘氨酸产量达5.0 mM/1 h，较传统途径提升15倍。碳足迹计算表明，该工艺相比传统Strecker合成法减少CO?排放1.28 kg/kg甘氨酸。研究首次实现非酶催化与生物酶组装的协同作用，突破生物代谢热力学限制，为CO?资源化利用提供新范式。

　　在当今全球对可持续发展和碳中和目标日益重视的背景下，将二氧化碳转化为有价值的化学品成为科学研究和工业应用的重要方向。作为一种可再生的C?载体，甲酸因其高溶解性、易运输性和与微生物代谢的直接兼容性而受到广泛关注。通过电化学方法将二氧化碳还原为甲酸的法拉第效率可达到接近100%，为实现可再生能源与生物碳固定技术的结合提供了理想路径。然而，尽管甲酸具有这些优势，其生物转化过程仍然受到热力学和代谢通量的限制。这些限制主要体现在甲酸的生物同化过程中，例如还原甘氨酸途径（RGP）的热力学驱动力不足，导致代谢通量受限，进而影响其在生物制造中的应用潜力。

为了突破这一瓶颈，研究人员提出了一种人工且高效的路径，将非酶促甲酸歧化反应与生物分子凝聚体介导的酶组织相结合，从而克服自然代谢中的热力学限制。该策略的核心在于通过化学反应生成高浓度的甲醛和二氧化碳，为后续的酶促反应提供更强的热力学驱动力。非酶促歧化反应通过氧化还原机制进行，其中铬(VI)将甲酸氧化为二氧化碳，同时被还原为铬(V)，随后铬(V)再将另一分子甲酸还原为甲醛，最终再生铬(VI)完成催化循环。这种分步电子转移过程不仅提高了甲酸转化的效率，还显著增强了反应的热力学可行性。

通过使用非晶态的铋铬酸盐氢氧化物（a-Bi(OH)CrO?）作为催化剂，研究人员发现其在催化甲酸歧化反应方面表现出优异的性能。与单斜晶型的铋铬酸盐氢氧化物（m-Bi(OH)CrO?）相比，a-Bi(OH)CrO?在反应过程中能够生成更高浓度的甲醛和碳酸氢盐（HCO??），从而为后续的甘氨酸合成提供更丰富的前体。实验结果显示，在12小时的反应时间后，a-Bi(OH)CrO?催化剂产生的甲醛浓度是m-Bi(OH)CrO?的六倍。这一结果表明，非晶态催化剂由于其长程结构无序和丰富的高不饱和原子位点，能够提供更多的活性位点并展现出独特的电子结构，从而显著提高催化效率。

此外，为了进一步提高反应效率，研究人员引入了液-液相分离（LLPS）技术，通过构建生物分子凝聚体，将关键酶和底物在局部环境中进行空间组织。这种组织方式不仅提高了底物浓度，还有效减少了扩散损失，从而提升了催化反应的效率。以Caenorhabditis elegans中的Laf1蛋白为例，其含有Arg-Gly-Gly重复序列，能够通过LLPS形成动态的液滴状凝聚体。研究人员通过将GCS酶与Laf1的RGG结构域结合，构建了具有空间组织功能的LLPS系统。该系统在反应1小时后，能够产生5.0 mM的甘氨酸，相较于未标记酶的对照组提高了47%。这一结果表明，通过LLPS实现的酶组织能够显著提升甘氨酸的生产效率。

在实验中，研究人员还测试了不同浓度的Laf1对反应的影响。结果显示，当Laf1浓度为20 μM时，甘氨酸产量达到5.3 mM，而当浓度进一步增加至30 μM时，产量反而下降。这一现象可能与自由Laf1对相分离和分子流动性的影响有关。适度的Laf1浓度能够增强相分离效果，提高溶液的流动性，从而促进底物和酶之间的有效接触。然而，当Laf1浓度超过一定阈值时，溶液的粘度增加，可能抑制分子交换，进而降低反应效率。通过显微镜观察，随着Laf1浓度的增加，样品中出现了更多的可见聚集物，而凝聚体组则呈现出大量的独立液滴，这表明在适宜的Laf1浓度下，相分离过程能够促进更活跃的反应。

在构建LLPS系统的同时，研究人员还测试了不同酶组合对甘氨酸产量的影响。实验结果显示，当所有GCS酶都带有Laf1标签时，甘氨酸产量达到最高。这表明，通过LLPS实现的酶组织不仅提高了反应效率，还增强了酶的稳定性和可重复使用性。传统的可溶性酶在重复使用过程中往往面临稳定性下降的问题，而通过LLPS构建的凝聚体则能够实现多次循环使用，保持较高的活性。这一特性使得A-RGP-LLPS系统在生物制造领域展现出巨大的应用潜力。

在实际应用中，研究人员还考虑了将电化学二氧化碳还原（CO?RR）与该系统相结合的可能性。CO?RR通常会产生高浓度的支撑电解质，如K?、HCO??和甲酸盐。为了实现电化学和生物化学过程的高效耦合，需要对这些离子进行预处理，例如通过酸化或离子交换技术将金属甲酸盐转化为游离的甲酸，再通过提取或蒸馏等方式回收纯甲酸。虽然这些预处理步骤会增加额外的能量需求，但它们为实现过程整合提供了可行的途径。更进一步，近年来固态电解质二氧化碳电解器的发展为高纯度甲酸的直接生成提供了可能，无需液态电解质的携带。例如，Chu等人通过使用固态膜反应器，从烟气中的二氧化碳连续生成甲酸，实现了无盐的产物流。这样的系统可以直接与我们的250°C热反应和室温酶反应模块对接，从而消除中间纯化步骤，提高整体过程效率。

此外，研究人员还评估了整个从二氧化碳到甲酸再到甘氨酸的碳足迹。传统的甘氨酸合成方法依赖于斯特雷克合成（Strecker synthesis），需要大量的能量和氯化物衍生的氯乙酸。相比之下，通过电化学还原生成甲酸并结合A-RGP-LLPS系统，整个过程的碳排放显著减少，甚至实现负碳排放。例如，在每千克甘氨酸的生产过程中，传统方法的碳排放为4.35 kg CO?，而我们的方法则达到了-1.28 kg CO?，这表明该系统在碳循环和可持续生产方面具有重要优势。考虑到全球每年对甘氨酸的需求约为2×10?吨，这种方法每年可减少约1.1×10?吨的二氧化碳排放，为减少碳足迹和实现绿色化学生产提供了新的思路。

在实验方法方面，研究人员采用了多种分析技术来验证他们的假设和优化反应条件。例如，使用粉末X射线衍射（XRD）确认了催化剂的纯度和晶体结构，通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察了催化剂的微观结构和形貌。表面化学组成分析通过X射线光电子能谱（XPS）完成，以确认不同催化剂的表面化学状态。此外，氮气吸附-脱附等温线用于测量催化剂的比表面积和孔隙分布，从而进一步理解其催化性能。在酶的制备和纯化过程中，研究人员使用了Ni2?-NTA树脂进行亲和层析，并通过Amicon? Ultra-15过滤装置进行超滤，以获得高纯度的酶溶液。

通过这些综合性的实验和分析方法，研究人员不仅验证了非酶促歧化反应和LLPS系统在甲酸转化和甘氨酸合成中的协同效应，还为未来的工业应用提供了重要的基础。他们提出的A-RGP-LLPS系统，结合了化学反应和生物催化，为突破生物代谢的热力学和动力学限制提供了新的思路。这一策略不仅提高了甘氨酸的产量和反应效率，还实现了酶的高效再利用，为可持续的生物制造平台提供了可行的方案。

综上所述，这项研究通过整合非酶促化学反应和生物分子组织技术，为甲酸的高效利用和甘氨酸的可持续生产提供了创新的解决方案。这不仅有助于推动碳中和目标的实现，也为未来的绿色化学和生物制造技术发展提供了新的方向。