温和条件下工业废气变“食醋”
那么，二氧化碳究竟是如何“变”成葡萄糖和油脂的呢？
“首先，我们需要把二氧化碳转化为可供微生物利用的原料，方便微生物发酵。”曾杰介绍道，清洁、高效的电催化技术可以在常温常压条件下工作，是实现这个过程的理想选择，他们就此已经发展了很多成熟的电催化剂体系。
至于要转化为哪种“原料”，研究人员将目光瞄准了乙酸。因为它不仅是食醋的主要成分，也是一种优秀的生物合成碳源，可以转化为葡萄糖等其他生物物质。
“二氧化碳直接电解可以得到乙酸，但效率不高，所以我们采取‘两步走’策略——先高效得到一氧化碳，再从一氧化碳到乙酸。”曾杰说。
不过，常规电催化装置生产出的乙酸混合着很多电解质盐，无法直接用于生物发酵。所以，为了“喂饱”微生物，不仅要提升转化效率，保证“食物”的数量，还要得到不含电解质盐的纯乙酸，保证“食物”的质量。
“我们利用新型固态电解质反应装置，使用固态电解质代替原本的电解质盐溶液，直接得到了无需进一步分离的纯乙酸水溶液。”夏川介绍道，利用该装置能连续140小时上制备纯度达97%的乙酸水溶液。
固态电解质反应器。研究团队供图
微生物“吃醋”产葡萄糖
得到乙酸后，研究者们尝试利用酿酒酵母这一微生物来合成葡萄糖。
“酿酒酵母主要用于乃酪、馒头、酿酒等发酵行业，同时也因其优秀的工业属新，常被用作微生物制造与细胞生物学研究的模式生物。”于涛说，利用酿酒酵母通过乙酸来合成葡萄糖的过程，就像是微生物在“吃醋”，酿酒酵母通过不断地“吃醋”来合成葡萄糖，“然而在这个过程中，酿酒酵母本身也会代谢掉一部分葡萄糖，所以产量并不高。”
对此，研究团队通过敲除酿酒酵母中代谢葡萄糖的三个关键酶原件——Glk1、Hxk1和Hxk2，废除了酿酒酵母代谢葡萄糖的能力。敲除之后，实验中的工程酵母菌株在摇瓶发酵的条件下，合成的葡萄糖产量达到1.7克每升。
“利用模式生物酿酒酵母‘从无到有’地在克级水平合成了葡萄糖，这代表了该策略较高的生产水平与发展潜力。”于涛说，为了进一步提升合成的葡萄糖产量，不仅要废除酿酒酵母的能力，还要加强它本身积累葡萄糖的能力。
于是，研究人员又敲除了两个疑似具备代谢葡萄糖能力的酶元件，同时擦入来自泛菌属和大肠杆菌的葡萄糖磷酸酶元件。
于涛表示，这两种酶可以“另辟蹊径”，将酵母体内其他通路中的磷酸分子转化为葡萄糖，增加了酵母菌积累葡萄糖的能力。经过改造后的工程酵母菌株的葡萄糖产量达到2.2克每升，产量提高了30%。
改造后用于制备葡萄糖的酵母菌株发酵液（棕SE溶液），及制备的葡萄糖（白SE溶液）。研究团队供图
