酸奶杯、可降解购物袋、手术缝合线……这些一样平常物品暗地里，可能都藏着一个配合的“生命之源”——L-乳酸。这类有机小份子不仅是生物可降解塑料（如聚乳酸）的单体，更广泛运用在食物、医药等平易近生范畴，职位地方日趋显著。然而，其传统出产高度依靠食粮发酵，对于我国食粮安全组成潜于威逼。怎样于“双碳”方针及保障食粮安全的配景，找到低碳可连续成长路子呢？

破局的曙光，来自在意想不到的源头——二氧化碳。

近日，中国科学院院士、中国科学院年夜连化学物理研究所研究员（如下简称年夜连化物所）李灿、副研究员王旺银等于人工光合成-生物制造“接力”合成L-乳酸研究方面取患上新进展。他们经由过程人工光合成交织合成生物学，使用二羟基丙酮作为中间体，实现了使用太阳能等可再生能源从二氧化碳及水合成光学纯L-乳酸，为解决资源与环保两重困境斥地了新路径。相干结果发表美国化学会期刊《人工光合成》上，并当选为封面文章。

人工光合成-生物制造“接力”示用意。年夜连化物所供图

需求激增暗地里的“懊恼”

L-乳酸是一种自然存于的手性份子，它是付与酸奶怪异酸爽风韵的“元勋”，是化妆品中暖和的pH调治剂，是医药范畴的经常使用原料，也是聚乳酸（PLA）的单体。

PLA属在聚酯“家族”中生物可降解高份子聚合物质料之一，因其用量占生物可降解质料的近50%，当之无愧为“绿色塑料”的代表，广泛运用在医疗器械，3D打印，食物包装、农用地膜、一次性餐具等范畴。跟着绿色可连续成长方式的改变，PLA市场需求呈发作式增加，直接推高了对于单体L-乳酸的需求。

然而，繁荣暗地里潜伏隐忧。持久以来，L-乳酸的工业出产高度依靠一条看似成熟的门路：以玉米、薯类等食粮作物为原料，经由过程微生物发酵制取。“年夜范围利用食粮资源出产工业原料，对于我国食粮安全将会组成潜于的威逼，绝非可连续成长之道。”李灿夸大。

怎样破解“要环保”及“保饭碗”的双重难题？研究团队将眼光投向温室气体的重要身分——二氧化碳。

“最近几年来，‘碳中及’理念也逐渐深切人心。L-乳酸作为云云主要的化学品原料，开发一条使用可再生能源高效转化二氧化碳的绿色合成路子，对于在实现碳中及方针，以致保障食粮安全等都具备主要意义。与此同时，对于催化路径的摸索以和催化历程的理解也将为基础理论研究提供主要参考及引导。”王旺银告诉《中国科学报》。

二氧化碳的“绿色逆袭”

“聚乳酸塑料的生命周期自己就是一个潜于的‘碳轮回’闭环。”王旺银注释道。抱负状况下，使用二氧化碳资源化转化合成聚乳酸，相称在将温室气体“锁”进了塑料成品中，是一个净减碳历程。而当这些PLA成品（如餐盒、地膜）竣事任务，于堆肥前提下约3到6个月便可彻底降解，从头变回二氧化碳及水，回归天然。

从上述天然的角度，李灿想到了一项由本身提出并历经多年成长的技能——“液态阳光”：“它指的是使用太阳能等可再生能源分化水反映制备绿氢，进而经由过程二氧化碳加氢合成液态阳光甲醇。早于2001年，咱们就把眼光放于能源与情况的可连续成长，并最先启动光催化分化水制氢、光电催化制氢等范畴的研究，方针就是把太阳能转化为可不变贮存、易在运输的液态太阳燃料。”

2017年，李灿团队乐成研发了一种高选择性、高不变性的二氧化碳加氢制甲醇固溶体催化剂。于此基础上，2020年，联合团队研发的电催化分化水制氢技能，于兰州新区完成为了全世界首套千吨级液态太阳燃料合成的全流程中试项目，迈出了太阳能等可再生能源转化为液体燃料的要害一步，他们形象地称液态太阳燃料为“液态阳光”。

“人工光合成，素质上是道法天然光互助用的历程。假如以液态阳光为基础，经由过程人工光合成与合成生物学的‘接力’，就能够实现绿色生物制造。”李灿先容道。

以是，团队于本事情中立异性地采用了化学催化与生物细胞催化“接力”计谋，犹如两位顶尖运带动的接力赛完善共同。

“能源化学催化可以更高效的将二氧化碳转化为有机小份子，但于合成高光学纯度的生物基化学品方面却面对着必然的挑战。”王旺银先容道，“可是生物细胞酶催化则偏偏相反，它更长于‘使用’有机小份子，经由过程酶催化剂制造手性布局，高选择性合成有机酸、氨基酸糖类等生物份子。”

那末，谁来充任之间的“接力棒”呢？他们从天然界的糖代谢收集中找到了谜底——二羟基丙酮（DHA）。DHA于生物体内是糖酵解路子的“交通枢纽”，七通八达。选择它作为中间体，就像于化学世界与生物世界之间架起了一座高效、通用的桥梁。“DHA是天然付与的抱负‘交代点’，让化学催化与生物催化患上以‘双向奔赴’。”王旺银说。

99%的转化率

于生物接力环节，工程革新的毕赤酵母细胞也揭示了其高效率。它可以或许将DHA近乎“完善”地转化为L-乳酸，转化率高达99%，补料分批发酵时L-乳酸产量可达100 g/L以上。“比拟之下，传统以葡萄糖为原料的发酵法，转化率凡是仅70%摆布，新路径于效率及可连续性上实现了两重奔腾。”论文第一作者、博士生张亚静说。

而三木SEO-且，研究还有发明DHA于生物代谢路子中揭示出怪异上风。它相称在一个“中央车站”，以此为出发点，经由过程合成生物学手腕对于代谢工程举行“调流”，由DHA的磷酸化情势二羟丙酮磷酸（DHAP），会进入微生物主流合成代谢路子，可经由过程合成生物学要领，调通代谢工程用在拓展合成多糖及氨基酸等产品。

这项研究的乐成，也是跨学科聪明碰撞的结晶。团队搜集了物理化学、份子生物学、合成生物学等多范畴人材。生物配景的曹旭鹏研究员，孙文辉博士于细胞工场构建中与张亚静一路攻坚克难，物理化学配景的宋睿博士则为光催化环节提供了要害支撑。李灿坦言：“最年夜的挑战于在交融差别学科思维。咱们对峙从基础道理出发，化学与生物互相开导、互相验证，才一步步买通了路径。”

“该接力催化系统的太阳能使用效率约达15%以上，为构建高效转化二氧化碳及水合成各类高端化学品，尤其是食粮类生物年夜份子物资等提供了由二氧化碳出发的合成路径。”李灿说。

“于我国‘双碳’战略方针及能源转型的配景下，科技立异成长新质出产力提出更高的要求。将来，经由过程进一步的技能开发及放年夜树模验证，咱们还有将踊跃推进从二氧化碳及水合成光学纯L-乳酸工业运用。”李灿说。

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