在协同电化学与人工智能辅助的生物合成系统中，二氧化碳超快转化为C3–C4二醇

《Journal of the American Chemical Society》：Ultrafast Conversion of CO2 into C3–C4 Diols in a Synergistic Electrochemical and AI-Assisted Biosynthesis System

CO?电化学还原耦合生物催化合成C3+二醇新体系，通过CuZn催化电化学生成乙醇（4.6 g L?1 h?1）并阻断交叉，利用AI理性设计的T. maritima DERA变体（S233D/F43T）实现1,3-PDO（1.8 g L?1 h?1）和1,3-BDO（1.0 g L?1 h?1）的高效转化，光谱与分子动力学证实关键中间体及构象优化提升效率。

　　

利用二氧化碳（CO₂）作为原料来生产高价值化学品具有吸引力，但在技术应用方面仍远未达到理想效果。特别是，将CO₂高效转化为工业上重要的C₃₊二醇类化合物仍然是一个挑战。在这里，我们提出了一种碳负排放的电化学-生物合成级联系统，能够直接从CO₂中以极高的产率合成C₃–C₄二醇（1,3-丙二醇、1,3-PDO和1,3-丁二醇、1,3-BDO）。该集成平台结合了铜锌（CuZn）催化的电化学CO₂还原反应器（电流密度为?1,100 mA cm^–2），可生成乙醇（产率接近1,200 μmol h^–1 cm^–2），以及用于C–C键延长的生物催化模块。一种定制设计的J-T膜防止了乙醇的交叉渗透，使得乙醇的积累浓度达到4.6 g L^–1 h^–1；而经过基因工程改造的Thermotoga maritima DERA菌株（S233D/F43T）通过结合人工智能（AI）和理性设计的协同方法，显著提升了催化效率，实现了1,3-PDO的产率为1.8 g L^–1 h^–1。原位光谱研究表明，关键中间体*CO*和*OH*的存在以及氢键网络的形成显著增强了乙醇的电化学合成过程；分子动力学模拟进一步阐明了DERA菌株中的突变引起的构象变化，这些变化提高了其对底物的亲和力。该系统的多功能性还体现在能够将乙醇进一步转化为1,3-BDO，产率为1.0 g L^–1 h^–1。这项工作为从CO₂合成多碳二醇类化合物建立了一个可扩展的范例，架起了电催化与合成生物学之间的桥梁，为实现可持续制造奠定了基础。