文章核心观点 - 重庆大学王丹教授团队开发了一种新型多酶级联-电化学耦合系统，以乙醇和二氧化碳为底物高效合成L-乳酸，为二氧化碳资源化利用及绿色化学品合成提供了新策略 [2] - 该系统通过酶定向进化、电化学辅酶再生、离子液体增溶及反应条件优化等多技术协同，系统性解决了传统合成路径中的多个瓶颈问题，并展现出良好的工业应用潜力与经济效益 [4][21][22] 技术路径与核心突破 - **构建无外源辅酶依赖的多酶级联体系**：通过ADH、PDC、LDH三种酶依次催化，完成从乙醇和二氧化碳到L-乳酸的转化，原子利用率达100% [4][6] - **锁定并改造限速酶**：通过实验验证丙酮酸脱羧酶（PDC）为整个反应的限速酶，其浓度加倍可使L-乳酸产量提升85% [7][9] - **对限速酶进行定向进化**：通过随机突变获得高活性突变体Ptdqy，其催化效率（Kcat/Km值）较野生型提升2.92倍，使L-乳酸产量增加2.94倍 [4][10] - **建立电化学辅酶再生系统**：在-1.5V电压、0.2 mM NAD⁺条件下实现NADH高效再生，使L-乳酸产量较纯酶体系提升18% [4][15][16] - **利用离子液体增溶二氧化碳**：筛选出[CH][His]离子液体作为溶剂，其二氧化碳吸附容量达0.57 mol/mol，使L-乳酸产量较传统缓冲液体系提升1.89倍 [4][19] - **优化反应条件**：确定最优反应pH为9.0，最优酶浓度组合为ADH 0.01 mg/mL、Ptdqy 0.12 mg/mL、LDH 0.08 mg/mL，此时L-乳酸产量达1.85 mM [13][14] 性能与成本优势 - **产量与原子经济性**：在最优条件下，L-乳酸产量达4.14 mM，经规模化放大后进一步提升至22.5 mM（2.03 g/L），原子利用率达到100% [2][4] - **成本优势**：该合成路径的成本较传统的微生物发酵路线低10% [4] - **规模化验证**：系统成功实现放大生产，以50 mM乙醇为底物，合成了22.5 mM的L-乳酸 [4] 行业意义与应用前景 - **开辟碳源利用新方向**：以工业废气二氧化碳和乙醇为原料，打破了传统L-乳酸生产对粮食源葡萄糖的依赖，为二氧化碳的资源化利用提供了可行的技术路径 [20] - **提供催化体系设计新思路**：“酶定向进化+电化学耦合+离子液体增效+反应条件优化”的多维策略，为复杂生物催化反应的工业化应用提供了重要参考 [21] - **展现工业应用潜力**：该系统实现了绿色生产，并具备稳定的反应体系、简化的下游纯化流程和可扩展的平台特性，有望替代传统发酵路线，应用于食品、化工及生物可降解材料等领域 [22] - **拓展技术平台应用**：该耦合平台未来可探索用于转化二氧化碳合成其他高价值化学品，如丙酮酸、乙醇酸等，以拓展技术适用范围 [23] 关键概念与背景 - **L-乳酸与聚乳酸（PLA）**：L-乳酸是生产生物可降解塑料PLA的关键单体，传统生产依赖粮食发酵，本研究的技术路径可降低成本并避免粮食竞争 [24] - **多酶级联反应与限速酶**：限速酶是决定整个反应链速率的关键，通过定向进化等技术改造限速酶是提升多酶体系效率的核心策略，本研究中对PDC的改造即为例证 [25] - **辅酶再生与电化学耦合**：电化学方法再生NADH具有条件温和、可控性强、成本低的优势，是解决体外酶催化体系辅酶成本难题的有效方案 [26] - **离子液体的特性与应用**：离子液体能增强二氧化碳溶解度并维持酶结构稳定，在酶催化反应中可替代传统有机溶剂以提升反应效率 [27]