科学家用酶法将甲酸高效转化为高价值化学品

全球变暖的挑战与碳固定的新希望

随着全球二氧化碳排放量持续攀升，如何将温室气体转化为有用化学品成为科学界的热点。C1化合物（如二氧化碳、甲酸）作为碳固定的关键原料，其高效转化技术被视为实现碳中和的“钥匙”。然而，传统生物还原反应依赖昂贵的辅因子NADH，且副产物问题突出，制约了工业化应用。

近日，北京化工大学与德国亚琛工业大学联合团队在《化学科学与工程前沿》发表研究，提出一项革命性技术：利用氢气驱动的氢酶再生NADH，成功将甲酸高效转化为二羟基丙酮（DHA）。这一突破不仅解决了辅因子再生的经济性难题，还为碳固定技术开辟了一条绿色新路径。

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：

1. 甲醛脱氢酶（FaldDH）将甲酸转化为甲醛，消耗NADH；
2. 氢酶（SH）持续利用氢气再生NADH；
3. 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、离子强度0.25 mol·L⁻¹），最终级联反应的ΔrG'降至-20.6 kJ·mol⁻¹，使整个路径在热力学上可行。

工业级成果：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：

1. 氢酶复杂性：氢酶由多个亚基构成，体外表达和活性维持成本较高；
2. 规模化瓶颈：氢气在水中的低溶解度可能限制反应速率。

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，有望打造零碳排的“生物工厂”。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向市场，为地球按下“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。

来源: Engineering前沿