Nature Catalysis：生物酶对可持续发展的重要作用

纳米技术

2020-05-19

人类目前社会和科技发展领域的可持续发展中面临着多重挑战，美国MIT的Kristala L. J. Prather对目前生物催化系统的快速发展如何帮助美国实现可持续发展的目标。

2015年，美国通过了一个目标SDGs“实现更好和可持续的未来的蓝图”（“the blueprint to achieve a better and more sustainable future for all）。这个可持续发展目标是崇高的并且具有非常大的挑战，这个问题是关于贫穷、不平等、气候问题、环境污染、繁荣、和平、正义等问题。SDGs的目标中需要政策和社会调整，这些目标的实现需要可持续发展相关技术的发展和应用。为了实现SDGs目标，对包括废弃物的物质/材料转化过程占有重要作用。生物催化反应系统由于能够在低温和低压中进行催化，因此生物催化系统的过程需要的溶剂、有毒材料比热催化过程更少。但是目前对高活性酶的开发仍任重道远，并且需要更多人和更广泛的关注。

本文要点：

（1）生物催化体系在消除饥饿中的作用。Fritz Haber和Carl Bosch开发了重要的合成胺反应，该反应中首要的应用是化肥相关应用，但是热催化反应过程中需要高温和高压过程产生巨大的能耗，其中H₂通过甲烷的水热重整过程得到，并且该过程中生成大量CO₂。生物催化体系可能对这个领域产生作用，植物能够自动的吸收大气中的N₂，并将其转化为NH₃。一些土壤中的微生物同样能够实现这个过程，并通过这个方法为植物的根提供营养。如果能够实现植物的类似固氮过程，开发出高效的酶机器，会使人类实现更好的发展。其中的重要挑战在于生物固氮酶对空气非常敏感，通过设计和合成新型固氮酶能够对食物的供给和消除饥饿目标提供更好的方法。

（2）生物催化体系在清洁能源、工业领域的应用。开发低碳甚至无碳排放的清洁能源为增加人口数量和提升现代化有作用。新型生物催化系统能够高效的、经济的生成大量广泛的能够应用于交通工具的能源分子，实现生物燃料对现有市场的渗透。生物能源中一个特别吸引人的优势在于能够用于少量使用领域、并实现随制随用，实现取代燃料制造工厂的中心地位。比如通过将废物转化为适合做饭的生物能。通过这种方法能够降低对煤、石油的依赖。为了实现这个目标，需要开发适用于复杂环境的高活性生物催化剂系统。同时，生物能可能在解决污染性能源中起到重要作用，比如对CO₂的捕捉和储存中。比如产乙酸菌能够消耗CO₂能够生产酸和醇，LanzaTech公司就建造了一个工厂，实现了将炼钢厂产生的CO₂作为反应原料，并且该过程中的酶展现了快速转化能力。并且该方法可能应用于工业气流和石油转化反应过程中产生的大量CO₂。

（3）酶催化体系在城市和社区的可持续发展中的应用。由于目前更多的人流动到城市中，对人群、土地、建筑物的管理变得更重要。其中废水长期以来通过微生物进行处理，固体废弃物无法简单通过这种方法进行处理，通过对生物酶进行修饰和优化可能得到有处理效果的酶和生物体物种。由于更多的人会产生更多的废弃物，生物催化系统能够在该领域起到一定的帮助作用。

（4）生物酶催化系统在负责任的消费和生产中作用，水中的生物的作用。目前社会发展过程中无法避免的事实是每天各种材料被生产、消费和扔掉，因此必须考虑一个问题，即对如何对生产和销售控制并降低废物。如果考虑将产品重新恢复到原始状态，生物催化系统将是个非常好的技术，生物体中就存在着将复杂材料降解的过程（比如木质素），能够降解至单体结构，并重新作为原料构建复杂分子。比如，在聚合物的降解过程中发现设计生物可降解的聚合物材料能够取代石油化工品的使用，并降低其对环境的影响。最近Science上一篇报道结果显示发现了有能力降解聚对苯二甲酸（poly(ethylene terephthalate)）的细菌，受到了社会上的广泛关注。

（5）生物催化系统对气候行为的作用。由于气候变化的担心，目前人们对脱碳工业的需求日益增强。目前原油中有~15 %的量通过转化变为高附加值的产品，如果将这部分不需要破坏化学键产生能源的部分替换为可循环应用的材料，能起到很好的效果。为了实现这个目标，需要对设计一种全新的生物催化系统，将大量物种转化为一系列复合产品。这种过程需要对生物酶进行设计，产生与以往不同的酶催化活性。

参考文献

Kristala L. J. Prather*

Accelerating and expanding nature to address its greatest challenges. Nature Catalysis, 2020

DOI：10.1038/s41929-020-0422-4

https://www.nature.com/articles/s41929-020-0422-4