一种可将低浓度二氧化碳转化为氨基酸及其衍生物的方法技术

本发明专利技术公开了一种可将低浓度二氧化碳转化为氨基酸及其衍生物的方法，所述低浓度二氧化碳的气源可以是空气，所述方法是首先通过吸附将二氧化碳生成碳酸氢根溶液，然后在反应容器中构建体外化学催化和生物催化反应体系，包括：Tris

【技术实现步骤摘要】
一种可将低浓度二氧化碳转化为氨基酸及其衍生物的方法


[0001]本专利技术属于固碳方法
，涉及一种对低浓度二氧化碳气体，如空气中二氧化碳的固定方法，尤其涉及一种将空气中二氧化碳转化为氨基酸，丙酮酸及其衍生物的方法。

技术介绍

[0002]二氧化碳等温室气体排放导致的全球气候变暖及相应的气候灾难日益严重，开发高效二氧化碳捕获和利用技术迫在眉睫。
[0003]在众多研究二氧化碳固定的方案中，开发直接利用极低浓度的二氧化碳，如空气中二氧化碳的技术，具有很多的优势：1，空气中含有二氧化碳浓度在400ppm左右，吸收和利用空气中的二氧化碳，能够直接降低空气中二氧化碳的浓度，对全球气候变暖具有直接的贡献；2，开发低浓度二氧化碳利用工艺，不依赖于高浓度二氧化碳释放源，有助于建立分散型吸收二氧化碳装置；3，全球每年有多于300亿吨的二氧化碳排放，利用排放的二氧化碳可以作为廉价的碳原料，用于工业化生产，取代传统生物制造通常的糖基和淀粉基原料，大幅降低生产成本和增加过程经济可持续性。
[0004]传统的二氧化碳生物利用模式，如植物光合作用和自养型微生物，固碳效率低下。最近各国竞相追逐研发高效的二氧化碳碳利用技术，比较代表性的工作包括中国科学院天津工业生物技术研究所近期开发的“人工合成淀粉”技术，展示了利用甲醇(二氧化碳还原得到)等碳一底物为原料合成淀粉的可能性，有望未来变革农业生产模式。但是这一技术的发展或产业化面临困难与挑战，包括原料和辅助原料成本昂贵，不能够直接利用二氧化碳，而是先将二氧化碳通过化学催化(高温高压，催化剂成本高)转变成甲醇再利用，过程繁琐等。另外代表性的工作包括：德国马克斯
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普朗克研究所Erb教授团队研发的巴豆酰辅酶A/乙基丙二酰辅酶A/羟基丁酰辅酶A(CETCH)循环，CETCH固碳途径由不同来源的17个酶组成，能够将碳酸氢钠转变成乙醛酸，它的固碳速率是5nmol/min/mg蛋白，过程中也是使用的是碳酸氢根离子，没法解决空气中低浓度二氧化碳的固定问题；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
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Oxaloacetate acetylhydrolase
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Acetate CoA ligase
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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循环使用的也是碳酸氢根离子，而且需要厌氧环境，过程中需要消耗大量的辅因子：ATP和NADPH，限制了POAP循环的规模应用。
[0005]表1体外人工合成固碳途径性能比较
[0006][0007]上述固碳反应都不能够实现对空气中低浓度二氧化碳的利用。利用空气中的二氧化碳为原料，面临巨大挑战，主要因为空气中二氧化碳浓度极低，浓度低难于启动化学反应的进行；二氧化碳分子能量低，固定二氧化碳需要外部能量的供应等。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可将低浓度的二氧化碳气体转化为氨基酸及其衍生物的方法，其中低浓度通常指气源中二氧化碳气体浓度小于10％(体积分数，v/v)，该方法尤其可将空气中极低浓度的二氧化碳进行转化，该方法巧妙的利用了碱性溶液，如氨水，首先将气源中的二氧化碳进行吸附，生成高浓度的碳酸氢铵，然后碳酸氢铵通过体外组装的多酶和化学催化反应，生成甘氨酸，丝氨酸和丙酮酸。整个过程碳酸氢铵可以为合成氨基酸提供碳源和铵根离子，与氨基酸合成系统无缝链接，实现了碳酸氢铵的全部利用，省却了碱液回收成本，打通了碱液和二氧化碳结合生成高附加值产物的流程(图1)。
[0009]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0010]一种将低浓度的二氧化碳气体，如空气中二氧化碳，转化为氨基酸及其衍生物的方法，具体过程包括两步：第一步是空气中二氧化碳的吸收，直接将空气通入到碱性溶液中生成碳酸氢根溶液，直至二氧化碳吸附饱和；然后第二步，构建体外集合了“生物催化”和“化学催化”的反应体系，含有成分如下：Tris
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HCl缓冲液pH 7.5或者MOPS缓冲液pH 7.5，四氢叶酸(tetrahydrofolate,THF)、二硫苏糖醇(Dithiothreitol，DTT)、碳一底物、磷酸吡哆醛(Pyridoxal phosphate，PLP)、H蛋白突变体、P蛋白、T蛋白，向上述反应体系中直接加入第一步完成空气吸附的碳酸氢根反应液体，进行反应，制得氨基酸及其衍生物。
[0011]上述技术方案中，进一步地，所述的反应可以在常压条件下进行。
[0012]进一步地，所述碱性溶液优选为氨水溶液，氨水吸收二氧化碳生成的碳酸氢铵可以作为氨基酸合成的碳源和氮源，便于铵根和碳酸氢根离子的后续使用；碱性溶液不局限于氨水，还可以是氢氧化钠，氢氧化钾，氢氧化钙和其他含有氢氧根的碱性溶液。
[0013]进一步地，碱性溶液的浓度为0.001
‑
10M。
[0014]进一步地，碳一底物为甲醛，或甲醇、甲酸反应制得甲醛的反应底物。
[0015]进一步地，所述的反应体系中THF、DTT、碳一底物、PLP、H蛋白突变体、P蛋白、T蛋白的浓度比例为：0
‑
200mM,0
‑
200mM,0
‑
1000mM,0
‑
100mM,0
‑
500mM,0
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5000μM,0
‑
1000μM,0
‑
1000μM，且均不取到0。进一步地，所述的反应温度为5
‑
95℃。
[0016]进一步地，所述的反应体系中还加入有丝氨酸羟甲基转移酶(Serine hydroxymethyltransferase，SHMT)，用于将甘氨酸转变成丝氨酸。
[0017]进一步地，所述的反应体系中还加入有丝氨酸脱水酶(Serine dehydratase,Lsd)，用于将丝氨酸转变为丙酮酸。
[0018]进一步地，所述的H蛋白突变体为Y70位突变体，或者E12位突变体，或者H蛋白热处理后的蛋白。
[0019]其中Y70位突变体指的是Y70A,Y70V,Y70N,Y70P,Y70T,Y70R,Y70F,Y70K,Y70G,Y70I,Y70L,Y70W中任一种。
[0020]E12位突变体指的是E12A,E12F,E12G,E12K,E12P,E12Q,E12R,E12V,E12Y中任一种。
[0021]H蛋白热处理指的是60
‑
90℃,5
‑
30min热处理，然后使用。
[0022]上述方法通过首先进行气源中二氧化碳的碱性吸附生产碳酸氢根溶液，然后通入到含有化学催化和多酶催化的反应体系中，利用碳一底物甲醛，或者甲醇，甲本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可将低浓度二氧化碳转化为氨基酸及其衍生物的方法，其特征在于，将含二氧化碳的气源通过化学吸附生成碳酸氢根溶液，然后与催化反应体系整合，所述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(tetrahydrofolate,THF)、二硫苏糖醇(Dithiothreitol，DTT)、碳一底物、磷酸吡哆醛(Pyridoxal phosphate，PLP)、铵盐、H蛋白突变体、P蛋白、T蛋白；向上述反应体系中直接加入吸附二氧化碳得到的碳酸氢根溶液，反应制得氨基酸及其衍生物。2.根据权利要求1所述的可将低浓度二氧化碳转化为氨基酸及其衍生物的方法，其特征在于，所述的含二氧化碳的气源为空气。3.根据权利要求1所述的可将低浓度二氧化碳转化为氨基酸及其衍生物的方法，其特征在于，所述化学吸附采用碱性溶液，将气源通入所述碱性溶液中将二氧化碳吸附转化为碳酸氢根溶液。4.根据权利要求1所述的可将低浓度二氧化碳转化为氨基酸及其衍生物的方法，其特征在于，所述的碳一底物为甲醛，或由甲醇、或甲酸反应制得甲醛的反应底物。5.根据权利要求1所述的可...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾安平，刘建明，
申请(专利权)人：西湖大学，
类型：发明
国别省市：