近日，中國科學院深圳先進技術研究院定量合成生物學全國重點實驗室于濤課題組與電子科技大學材料與能源學院夏川和鄭婷婷教授團隊、中國科學技術大學/安徽工業大學曾杰教授團隊合作，以處理酚酮產業的副產品丙酮為例，通過構建電催化和生物催化耦合系統，將過剩丙酮以異丙醇（IPA）為媒介轉化為對香豆酸、脂肪酸、番茄紅素等高附加值天然產物。相關成果“Upcycling surplus acetone into long-chain chemicals using a tandem electro-biosystem”發表在2025年5月26日的Nature Sustainability《自然·可持續性》期刊上。

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于濤課題組長期致力于利用合成生物學方法，解決可持續制造、綠色能源的生物存儲與糧食安全等重大問題。在過去幾十年里，大氣中的CO2通過熱化學、電化學、光化學以及一些耦合策略轉化為簡單的低碳化合物（C_1-3）已經取得了巨大進展。然而，通過這些平臺生產復雜的化合物是極其困難的。而以這些平臺合成的低碳化合物為底物，可通過微生物細胞工廠轉化生產高碳化合物。于濤課題組的前期工作（Nature Catalysis |二氧化碳還原合成葡萄糖和脂肪酸！）表明，通過電化學偶聯微生物細胞工廠，成功實現了將CO₂變成葡萄糖和脂肪酸（“空氣變糧油”），這為將CO₂可持續轉變成糖衍生食品和化學品提供了一種可行的、高效的方法，其具有更低的成本、更快的速度和更高的生產能力，該成果入選2022年由兩院院士評選出的“中國十大科技進展新聞”。隨后，于濤課題組又成功的在酵母細胞內構建了一個合成能量系統（細胞“雙引擎”設計），可以支持細胞生長并助力脂肪酸高效合成（Nature Metabolism | 理性設計構建合成能量系統雙引擎助力細胞工廠）同時，課題組還利用合成生物學和代謝工程手段，將低碳化合物（C_1-3）例如甲醇、乙醇、異丙醇等，轉化為糖及糖衍生物，包括葡萄糖、肌醇、氨基葡萄糖、蔗糖和淀粉等（Nature Catalysis | 二氧化碳衍生的低碳原料制備糧食化合物）。

丙酮是一種常用的化工原料和溶劑，目前主要來源是異丙苯法制苯酚的副產品。然而作為苯酚的伴生物，丙酮與苯酚的市場需求差異卻很大，造成丙酮產能超額。在重視綠色和可持續發展的今天，如何實現過剩丙酮的高效利用和轉化，成為化工行業面臨的重要問題和挑戰。基于此，研究者在這項工作中提出了一種電催化-合成生物學協同策略，首先通過催化劑和反應器設計，將丙酮經過電化學加氫得到高純IPA，隨后經過定向基因編輯的微生物發酵轉化為高附加值的天然產物，為化工副產物的高效消納與高值化轉化提供了全新的解決方案。

圖1：IPA介導的電-生物催化丙酮升值轉化

基于以上思路，首先需要電解丙酮得到高濃度、高純度的IPA作為生物發酵的原料，即“電子載體”。經濟技術分析顯示，IPA電合成的經濟性依賴于電解效率提升和產物分離純化過程的成本控制。因此，電子載體的高效合成需要同時對催化劑和反應器設計加以優化。首先，研究者采用應力調控策略，利用引入拉伸應力的釕催化劑（I-Ru）實現了丙酮電化學加氫制異丙醇過程的性能突破。得益于拉伸應力誘導的電子結構優化，I-Ru展現出優異的電催化性能，實現了95.6%的最大IPA法拉第效率和-240 mA cm^-2的IPA偏電流密度。機理實驗和理論模擬顯示，拉伸應力的引入在降低Ru位點上丙酮加氫能壘的同時，抑制了析氫副反應的發生，從而實現了催化性能的大幅提升。

圖2：I-Ru催化劑的結構表征和丙酮電化學還原性能評估

圖3：I-Ru催化劑在丙酮電化學還原中的機理研究

隨后，針對電解產物與電解質溶液分離的問題，研究者采用反向工作模式的雙極膜膜電極設計，在避免電解質溶液使用的同時，其內界電場大幅抑制了原料和產物的跨膜損失，結合I-Ru催化劑，實現了純丙酮到高純IPA（~100%）的完全轉化，并完成了10 cm × 10 cm × 2規模的反應堆棧驗證，成功獲得了可用于生物發酵的高濃度、高純度電子載體。

圖4：高純IPA（~100%）的直接電合成

在此基礎上，研究者通過對釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）進行系統的代謝工程改造，使其能夠直接利用電化學生成的高純IPA作為碳源，實現了從C₆（對香豆酸）到C₁₀-C₁₈（游離脂肪酸）乃至C₄₀（番茄紅素）系列長鏈天然產物的選擇性合成。

圖5：基于電合成IPA的生物發酵

本研究從化工副產物資源化利用的角度出發，不僅為清潔電能驅動傳統化學工業革新提供了新思路，更為實現綠色化學制造開辟了新途徑。未來的研究將聚焦于雙極膜膜電極反應器的優化設計、生物發酵代謝通路的調控以及電-生物催化耦合系統應用的拓展。

電子科技大學教授夏川、教授鄭婷婷、中國科學技術大學/安徽工業大學教授曾杰、中國科學院深圳先進技術研究院研究員于濤為本文共同通訊作者。電子科技大學博士后劉春曉、中國科學技術大學特任副研究員趙建康和中山大學副教授/原中國科學院深圳先進技術研究院副研究員湯紅婷為共同第一作者。本研究獲得了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、四川省自然科學基金、廣東省重點領域研發計劃、深圳市科技計劃、招商局集團、中海石油化學公司及深圳合成生物學創新研究院等多個項目的資助。

來源：中國科學院深圳先進院