[发明专利]一种将气态二氧化碳转化为氨基酸及其衍生物的方法

说明书

本发明公开了一种将气态二氧化碳转化为氨基酸及其衍生物的方法，是在反应容器中构建反应体系，含有成分如下：Tris‑HCl pH 7.5或者MOPS缓冲液pH 7.5，四氢叶酸、二硫苏糖醇、碳一底物、磷酸吡哆醛、铵盐、H蛋白突变体、P蛋白、T蛋白；向上述反应体系中直接通入含二氧化碳的气体进行反应，制得氨基酸及其衍生物。本发明方法通过组装高效的体外催化反应机器，可以实现远远优于体内生物法固定二氧化碳的效率；此外通过带压反应容器与体外催化机器的组合，有助于增加气体二氧化碳在液体中的溶解度，可促进气体二氧化碳到氨基酸的高效合成。此外，采用本发明的方法不需要NADH的参与，不需要ATP的添加，可以极大的降低成本，便于较大规模上固定气态的二氧化碳。

技术领域

本发明属于固碳方法技术领域，涉及一种对气态二氧化碳的固定方法，尤其涉及一种将气态二氧化碳转化为氨基酸及其衍生物的方法。

背景技术

要达成该目标需要迫切的发展绿色低碳经济体系(如能源转型)，大力减少二氧化碳的排放，同时需要开发高效经济的二氧化碳捕获和资源化利用技术。依赖生物制造技术固定二氧化碳是开发二氧化碳利用技术的重要组成部分。

生物体直接利用气态二氧化碳有两种模式，一是植物、微生物体内固碳，二是构建体外无细胞多酶分子机器固碳。其中无细胞多酶催化体系，由于自己独特的优势：包括代谢路径清晰，摆脱细胞生长及内部复杂的调控网络；反应速度快，减少物质跨膜运输瓶颈；可操作性强，有助于聚焦对生物固碳途径(包括人工设计组装的全新二氧化碳固定途径)本身的验证和鉴定；易于挖掘高效的固碳元件等，受到了越来越多的关注。无细胞多酶分子机器固碳比较代表性的案例：1)德国马克斯·普朗克研究所Tobias Erb教授团队设计的巴豆酰辅酶A/乙基丙二酰辅酶A/羟基丁酰辅酶A(crotonyl-CoA/ethylmalonyl-CoA/hydroxybutyryl-CoA，CETCH)循环，CETCH循环由不同来源的17个酶组成，将二氧化碳转变成乙醛酸，它的固碳速率是5nmol/min/mg蛋白；2)中国科学院天津工业生物技术研究所马延和研究员团队构建的人工淀粉合成途径(the artificial starch anabolic pathway,ASAP)，二氧化碳首先通过电催化转变成甲醇或甲酸，然后通过后续的多酶(13个酶)级联催化反应合成淀粉，固碳效率达到了22nmol/min/mg蛋白；3)中国科学院微生物研究所李寅研究员团队设计了仅含4步酶反应的固碳循环POAP(Pyruvate carboxylase-Oxaloacetateacetylhydrolase-Acetate CoA ligase-Pyruvate:ferredoxin oxidoreductase)，实现了2分子碳到1分子草酸的合成，并且固碳效率达到了8nmol/min/mg蛋白(表1)。但是POAP循环需要厌氧环境，而且循环需要消耗大量的辅因子：ATP，NADPH和铁氧还原蛋白，限制了POAP循环的规模应用；4)James C.Liao教授团队(原美国加利福尼亚大学洛杉矶分校)建立了还原型乙醛酸-丙酮酸合成路径(reductive glyoxylate-pyruvate synthesis cycle，rGPS-MCG)，可以实现2分子碳酸氢盐到1分子乙醛酸的合成反应，固碳速率可以达到28nmol/min/mg蛋白,虽然rGPS-MCG路径表现出良好的二氧化碳固定优势，但是整个反应体系面临着很多的问题。首先，rGPS-MCG反应路径鲁棒性和稳定性差，反应体系需要严格控制辅因子和多种反应底物的浓度。而且，在即便存在自动监测条件下，多种酶易失活和不稳定，需要每隔半小时补充新鲜的酶制剂；5)最近，原汉堡工业大学曾安平教授团队利用可逆甘氨酸裂解体系(the reverse glycine cleavage system,rGCS)，利用甲醛和碳酸氢盐为底物，实现了甘氨酸的合成。

表1 体外人工合成固碳途径性能比较