综述：化学酶法协同将 CO2转化为高价值产品

本文聚焦化学酶法协同转化 CO2，探讨其在合成高价值产品中的应用。文中介绍了该方法在益生元化学中的作用，以及多种具体转化途径，为 CO2的可持续利用提供新思路，推动绿色化学与可持续工业发展。

　　

益生元化学与非酶促反应的作用

在生命起源之前，非酶促化学反应被认为是形成氨基酸、核苷酸和单糖等基本有机分子的原因。在原始热液条件下，CO₂与其他无机化合物通过光化学反应或热液反应，被认为会产生大量甲醛分子。随后，甲醛能发生甲醛聚糖（布特列罗夫）反应，进而形成单糖。这一过程揭示了益生元合成的基础，为理解生命起源初期的化学变化提供了线索。

甲醛聚糖反应与后续生物转化

化学酶法协同结合了化学和酶促方法的优势，可实现更广泛的化学转化。以甲醛聚糖反应为例，在温和加热和碱性条件下，二价金属阳离子（如 Ca²⁺）可催化该反应，使简单的 C1 原料甲醛转化为复杂糖类。此反应通过甲醛分子的羟醛缩合，最初形成混合物，后续的生物转化则进一步拓展了其应用，展现出化学酶法协同在糖类合成中的潜力。

电化学生成 C1 与生物利用的整合

微生物电合成或电微生物生产基于可再生电力，利用电能驱动化学 - 生物混合系统，最终将 CO₂转化为碳基化学品。电化学能够高效生成化学介质，如水制氢，以及 CO₂制甲醇、甲酸盐、甲醛或 CO 等 C1 分子。这些介质经电化学生成后，适宜进行生物转化，实现从 CO₂到高价值产品的转化，为可持续生产提供了新途径。

电化学生成 C2 与生物利用的整合

尽管已有众多高效的电催化剂用于 CO₂的电化学还原，但产物主要为 C1 化合物。由于 C - C 偶联反应存在挑战，将 CO₂电化学还原为 C2 或更长碳链产品仍较为困难。不过，目前在提高 CO₂还原反应（CO₂R）对 C2 分子（主要是乙酸盐和乙醇）的选择性方面已取得一定进展，虽然性能仍有待提高，但为 CO₂转化提供了新方向。

电驱动 ATP 和 NAD (P) H 的再生

ATP 和 NAD (P) H 在生物制造中，尤其是从低能量的 CO₂分子进行碳链延长的过程中，发挥着关键作用。它们为将短链碳化合物（包括 C1 - C3）转化为长链碳产品的生化途径提供必要的能量和还原力。因此，这些辅酶因子的高效可持续再生至关重要。近期，Luo 等人设计了一种新型电生物模块，用于直接转化，为解决辅酶因子再生问题提供了新方案。

兼容的一锅法化学酶促反应的发展

将酶促和化学催化整合到一锅反应序列中，可实现强大的转化。然而，由于酶促反应通常与化学试剂和催化剂的条件不相容，这种结合颇具挑战。尽管有少数过渡金属催化剂与酶并行工作的有趣例子，但适用于这些过程的转化数量仅占一小部分，仍需进一步探索和优化。

结合催化步骤的反应工程

在生物工艺工程领域，下游纯化过程对最终产品的质量、产量以及整个工艺的经济可行性起着关键作用。在下游加工中整合化学酶法，可显著降低整个制造过程的成本。例如原位产品结晶（ISPC）技术，能从生物反应系统中轻松实现产品结晶，体现了化学酶法在下游处理中的优势。

总结与展望

全球面临的重大挑战之一是碳基化学品、材料和食品的可持续生产。开发利用 CO₂及相关短链碳原料作为碳源的可持续生产方法，减少对化石资源的依赖至关重要。基于 CO₂转化的化学酶法，能显著推进 CO₂的捕获与利用（CCU），为应对紧迫的环境和可持续性挑战提供了极具前景的方法，有望推动绿色化学和可持续工业实践的发展。