真菌如何在常溫常壓下“捕獲”二氧化碳？

高溫高壓、有機溶劑、金屬催化劑——這些工業界費盡心力仍難以擺脫的“標配”，一種深海真菌在水溶液中就悄然完成了。它究竟藏著怎樣的秘密？

9月1日，《美國化學會志》在線刊發了中國科學院南海海洋研究所研究員閆巖團隊與海南師范大學副教授黎婉珊團隊的合作成果。他們完整解析了深海真菌天然產物cytosporin的生物合成路徑，并首次發現其中五元環碳酸酯結構可在中性水溶液中通過環氧介導的二氧化碳偶聯反應自發形成，無需任何催化劑或外部能量輸入。

“這項研究的意義遠不止于解開一個真菌天然產物的生物合成之謎。”論文共同通訊作者閆巖告訴《中國科學報》，該發現顛覆了人們對二氧化碳與環氧化物偶聯必須依賴苛刻條件的傳統認知，揭示了自然界在溫和水溶液中實現二氧化碳固定的精妙化學策略。

一個讓化學家“眼紅”的難題

將二氧化碳高效轉化為有機碳酸酯，是綠色化學和可持續能源領域的熱門方向。其中，二氧化碳與環氧化物偶聯生成環碳酸酯被認為最具應用前景。然而，現有工藝通常依賴有機溶劑、過渡金屬催化劑，且需高溫高壓，能耗較高。

二氧化碳，這個被全球氣候變暖議題推上風口浪尖的“罪魁禍首”，在化學家眼中卻是一座尚未被充分開發的“碳礦”。如果能將它高效轉化為有價值的化學品，不僅能緩解碳排放壓力，還能變廢為寶。

論文第一作者、中國科學院南海海洋研究所助理研究員肖華告訴《中國科學報》，在眾多轉化路徑中，有一條路線格外誘人：將二氧化碳與環氧化物偶聯，生成五元環碳酸酯。他解釋說，環狀碳酸酯是一類重要的化工原料，在鋰離子電池電解液、聚碳酸酯塑料、醫藥中間體等領域應用廣泛。更令人心動的是，這條反應路徑具有100%的原子經濟性——原料中的所有原子都進入了最終產物，不產生任何副產物，堪稱“零浪費”的理想反應。

然而，理想很豐滿，現實很骨感。

要讓化學性質極其“高冷”的二氧化碳和環氧化物“心甘情愿”地走到一起，化學家們不得不開出苛刻的條件：高溫、高壓、有機溶劑、過渡金屬催化劑。幾十年來，全球無數研究團隊致力于開發更高效、更綠色的催化劑，但始終難以擺脫對嚴苛條件的依賴——高能耗、高成本、潛在的重金屬污染，如同三道緊箍咒束縛著這項技術的規模化應用。

那么，有沒有一種更“聰明”的辦法？大自然或許早已給出了答案。

肖華表示，近年來，科學家從微生物和植物中陸續分離出多種天然環碳酸酯化合物，但它們的生物合成機制，尤其是五元環碳酸酯如何在生物體內形成，長期是一個未解之謎。直到這項研究，謎底才被揭開。

破解真菌的“秘密工廠”

研究團隊將目光投向了一類名為cytosporin的真菌天然產物。它由一株深海真菌Eutypella sp. F0219產生，其分子結構中含有一個罕見的五元環碳酸酯——正是化學家們夢寐以求的那類化合物。

代表性的五元環狀碳酸酯結構及其生物合成機制。

“問題是：這種真菌是如何在常溫、常壓、水溶液的環境中，造出這個五元環碳酸酯的？”肖華說。

為回答這一問題，團隊在國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目資助下，對產生菌進行了基因組測序，從中鎖定了一個約46.8 kb的候選基因簇cyt，包含15個基因。這就像一個“秘密工廠”的完整設計圖紙，接下來的任務是搞清楚每個“車間”具體做什么。

論文共同通訊作者黎婉珊介紹，通過一系列精巧的異源表達和飼喂實驗——好比把不同“車間”的設備搬到另一個工廠里單獨測試——團隊逐一鑒定了cyt基因簇中每個后修飾酶的功能：CytE負責羥基化，CytN負責異戊烯基化，CytH負責氧化和環氧化，CytI負責羰基還原，CytO引發分子內重排，CytK完成最后的環氧開環。經過這十多個酶的接力催化，一個復雜的前體分子最終被組裝完成。

然而，一個令人困惑的“懸案”出現了——整個cyt基因簇中，沒有任何一個酶能夠催化碳酸酯環的形成。

“圖紙翻遍了，所有‘車間’都排查完了，卻找不到生產最終產品‘五元環碳酸酯’的那道工序。這就像一個完整的汽車制造廠，所有零部件都已生產就緒，卻沒有安裝輪胎的機器——但成品車的輪胎卻完好無損地在那里。”黎婉珊說。

答案指向了唯一可能性：這道“工序”不是由酶催化的，而是自發完成的。

大自然的中性“綠色化學”

研究團隊將目光投向非酶促反應。通過比較前體分子與最終產物的結構差異，他們敏銳地推測：碳酸酯環很可能來源于無機碳酸氫鹽——也就是二氧化碳在水溶液中的主要存在形式。

cyt基因簇同源基因序列比對及其異源表達。

驗證實驗的結果令人振奮：將前體分子在pH 6.0至8.0的水溶液中與碳酸氫鈉一起孵育，當pH達到7.0及以上時，前體分子顯著轉化為含有五元環碳酸酯的產物。

“這意味著：在常溫、常壓、純水、無需任何催化劑的近中性條件下，二氧化碳（以碳酸氫根形式存在）就能與前體分子‘自發’偶聯，生成化學家們長期追求的五元環碳酸酯。”肖華說。

但科學需要確鑿證據。為了證實碳酸酯環中氧原子的來源，團隊使用了¹⁸O標記的碳酸氫鹽進行示蹤實驗——好比給碳酸氫鹽中的氧原子貼上“發光標簽”，追蹤它們最終的去向。結果顯示，產物中有兩個氧原子被成功標記，核磁共振波譜確認這兩個氧原子分別位于碳酸酯環的兩個關鍵位置——它們全部來源于碳酸氫鹽，而非水溶劑。這一結果排除了氧原子來自水的可能性，確鑿證實了二氧化碳確實被“捕獲”并固定到了產物分子中。

團隊進一步提出了詳細的反應機理：在近中性條件下（此時碳酸氫根占主導），碳酸氫根離子首先進攻前體分子上的環氧結構，打開三元環，隨后分子內部鄰近的羥基對中間體羰基發起分子內進攻，脫水后形成五元環碳酸酯。動力學研究表明，反應速率對底物和碳酸氫根濃度均呈一級動力學依賴關系，室溫下反應速率常數為0.15M^-1·h^-1。

飼喂實驗鑒定后修飾基因功能。

更令人驚訝的是，這一反應并非cytosporin的“獨家秘笈”。團隊測試了多種結構類似物，發現只要具備特定的雙環或三環骨架結構，都能在中性水溶液中與碳酸氫鹽反應生成相應的五元環碳酸酯。這表明這一非酶促二氧化碳偶聯機制在天然產物生物合成中可能具有相當廣泛的普適性。

閆巖表示，在工業領域，二氧化碳與環氧化物偶聯生成五元環碳酸酯，被視為二氧化碳資源化利用最具技術可行性和經濟前景的路線之一。然而，現有催化過程依賴有機溶劑、過渡金屬催化體系以及高溫高壓條件——這些都是高能耗、高成本的代名詞。而最新研究揭示了一條迥然不同的路徑：在中性水溶液、常溫常壓、無需任何催化劑或外部能量輸入的條件下，二氧化碳（碳酸氫根）就能與合適的環氧底物自發偶聯。

“這一發現不僅拓展了我們對天然產物生物合成中二氧化碳固定化學的認知，更為開發環境友好的有機碳酸酯綠色合成路線提供了極具價值的啟示。”閆巖指出，或許在不久的將來，化學家們能從這種深海真菌的“智慧”中汲取靈感，設計出更溫和、更綠色的二氧化碳轉化工藝。

相關論文信息：https://doi.org/10.1021/jacs.6c12612