在全球共同應對氣候變化的大背景下，發展溫室氣體（CO?、甲烷等一碳氣體）捕集與利用技術，已然成為推動綠色低碳發展以及實現“雙碳”目標的關鍵路徑。以一碳溫室氣體為原料的低碳生物合成技術是典型的碳負性技術，正引領著物質合成的全新范式，對于減緩全球氣候變化、達成可持續發展具有重大意義。依克多因，又名四氫嘧啶，是一種源自天然微生物的氨基酸衍生物。作為一種滲透壓保護劑，它具有鎖水、促進修復以及隔離刺激等特性，被廣泛應用于化妝品、食品保鮮、醫藥保健等領域。當前，化妝品原料依克多因的生產主要以糖基底物生物合成為主，若將溫室氣體作為其生物制造的原料，不但能夠有效降低生產成本，還可以實現可再生碳資源的高效利用，對推動低碳生物合成技術創新以及降低碳排放意義重大。
近年來，我國對溫室氣體減排與轉化利用給予高度重視，然而，如何將一碳溫室氣體高效轉化為長碳鏈分子（C3+）依舊面臨著巨大挑戰。化學-生物耦聯催化策略在一碳溫室氣體合成中長鏈化學品方面展現出巨大潛力，但該雜合系統中化學-生物模塊的適配性仍有待提升。針對上述問題，西安交通大學科研團隊聯合西北大學和電子科技大學等科研人員創新性地提出了一種新型的電化學-生物催化耦合系統，用于將CO?和甲烷升級為高價值化妝品原料依克多因。這項工作創新性地證實了將電化學反應與微生物發酵過程相結合的可行性，實現了電化學-生物催化模塊的高效適配，提出了基于一碳溫室氣體生物制造依克多因的新路線，同時也為緩解全球氣候變化提供了一條有效途徑。
在這項工作中，研究團隊合作致力于開發一種電化學CO2還原反應與甲烷（CH4）微生物轉化過程的耦合系統，實現依克多因的一碳生物制造。為滿足能源需求并提高微生物轉化效率，研究團隊首先合成了一種高選擇性和生產率的CuPc/BNCNT催化劑，該催化劑能夠在經濟規模上加速CO2生成CH4（法拉第效率73.5%），接著以高能量的一碳底物CH4為碳源，有效促進工程改造的甲烷氧化菌的生長，經生物轉化合成高價值的長碳鏈分子依克多因。該研究在建立了高效電催化系統之后，利用代謝工程改造和開發兩階段發酵等策略，實現了電催化與可放大的CH4生物轉化系統的匹配。值得一提的是，通過電催化系統與生物催化系統的適配，實現了將CO2高效轉化為高值產品依克多因（1146 mg L–1），較傳統生物轉化CO2合成效率提高了10倍，同時顯著提升了產率和減碳效益。這一研究成果證實了高值產品電氣化生物合成的可行性及巨大潛力，為生物制造和能源儲存提供了新的思路和途徑。
該研究成果以《可擴展電化學-生物催化耦合系統實現從溫室氣體合成依克多因》（Scalable Electro-Biosynthesis of Ectoine from Greenhouse Gases）為題，發表在國際頂尖學術期刊《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）上。西安交通大學為第一通訊單位，化工學院副教授郭樹奇與電子科技大學李成博博士為共同第一作者，費強教授、西北大學范代娣教授以及電子科技大學夏川教授為共同通訊作者。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、陜西省杰青基金和四川省自然科學基金等項目的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/ange.202415445
費強教授研究團隊主頁鏈接：https://gr.xjtu.edu.cn/web/feiqiang
