L-乳酸是聚乳酸（PLA）的单体，PLA是一种生物可降解的高分子材料，市场需求很大且不断增长，直接推动了单体L-乳酸的需求量大幅提升。目前，L-乳酸的工业生产主要依赖于粮食作原料的微生物发酵，依赖粮食资源，存在与人争粮的问题，影响粮食安全，并不是一个可持续的发展方式，尤其对我国的粮食安全造成潜在危险。因此，开发以二氧化碳和水为基本原料的人工光合成路径合成手性L-乳酸，对助力实现“双碳”目标和保障粮食安全具有重要战略意义。李灿院士团队长期致力于人工光合成相关研究，提出并实现了“液态阳光”技术，利用太阳能等可再生能源分解水反应制备绿氢（H₂），进而通过CO₂加氢合成液态阳光甲醇( Sci. Adv. 2017, 3, e1701290; ACS Catal. 2022, 12, 3063-3082)。因此，以液态阳光为基础，我们通过人工光合成与合成生物学的接力，实现绿色生物制造。

近日，中国科学院大连化学物理研究所李灿院士、王旺银副研究员等在Artificial Photosynthesis上发表了利用液态阳光甲醇化学生物途径合成L-乳酸的研究文章（Article）。本文道法自然光合作用原理，通过人工光合成交叉合成生物学构建一条化学-生物耦合光合成路径，从太阳能出发，高效转化二氧化碳和水合成光学纯L-乳酸。作者首先分析了传统工业过程以自然光合作用产物糖类为原料合成乳酸的路线，发现二羟基丙酮（DHA）作为一种三碳糖小分子，是替代葡萄糖等原料的理想中间物，并且可通过人工光合成的方法从CO₂合成。因此，作者提出了以DHA为重要中间体，耦合化学催化与合成生物体系，其次，研究了工程酵母细胞（Pichia pastoris）利用和转化DHA的代谢过程，发现DHA经一步磷酸化反应即可生成二羟丙酮磷酸（dihydroxyacetone phosphate，DHAP），直接进入糖酵解中心代谢途径，在生物代谢途径中展现出独特优势。最后，作者展示了一条完整的“太阳能—甲醇—DHA—乳酸”转化的技术路线，补料分批发酵时L-乳酸产量可达100 g/L以上，太阳能利用效率约达15%以上，超过自然光合作用的能量转化效率。

图1.合成L-乳酸的技术路线示意图

自然与人工途径：目前 L-LA 生产的工业路线主要依赖于自然光合作用产物粮食的微生物发酵发酵过程，其中磷酸化二羟基丙酮 （DHAP） 在糖酵解中起的关键作用使其成为桥接人工光合作用和生物合成代谢的枢纽。作者提出了一种从 CO₂ 合成L-LA 的化学-生物学途径，其中 DHA 作为关键中间体脱颖而出，可有效地将级联化学转化与工程 P. pastoris 的生物合成代谢耦合起来实现L-LA 的合成。

图2. 工程P. pastoris 利用 DHA 作为原料生产 L-LA

工程P. pastoris将DHA转化为L-LA性能：通过合成生物学方法对P. pastoris 改造，优化乳酸脱氢酶LDH的表达获得工程菌株，高密度发酵性能结果显示，DHA 作为P. pastoris 合成L-LA 的原料，底物转化为乳酸产物的转化率达99% ，以 DHA 为原料的 P. pastoris 的性能甚至超过了以葡萄糖为原料所达到的基准。

图3.工程P. pastoris利用DHA 和葡萄糖代谢的基因表达差异

基因表达：工程P. pastoris大多数核心碳代谢相关基因，包括糖酵解/糖异生、戊糖磷酸和三羧酸循环途径，在转录和蛋白质水平的表达相当。DHA代谢中的关键酶DAK在DHA代谢过程中相比葡萄糖代谢上调了1.9倍，这有利于DHA高效磷酸化为DHAP。此外，FBA12基因编码的醛缩酶作为糖酵解/糖异生途径中关联C6分子和C3分子之间相互转换的关键酶，在DHA发酵过程中表达水平显著下调。这一变化在一定程度上限制了糖异生途径的代谢通量，使DHA在被磷酸化为DHAP后更倾向于通过糖酵解途径生成丙酮酸，从而促进L-乳酸的高效合成。

图4. 工程P. pastoris利用DHA 和葡萄糖合成L-LA的代谢组学优势

代谢组学：在DHA发酵过程中，胞内DHAP、丙酮酸和L-乳酸的浓度普遍高于葡萄糖发酵时的浓度，丙酮酸作为糖酵解的终产物和生成L-乳酸的前体，其在发酵过程中浓度不断增加，随后两组的丙酮酸浓度趋于一致。然而，丙酮酸的下游代谢途径的中间体浓度表现出显著差异，氨基酸组代谢结果显示，在葡萄糖发酵过程中对氨基酸的利用率更高，可能用于蛋白质合成。而DHA代谢则更高效地将代谢通量分配至乳酸生成。代谢组学数据揭示毕赤酵母在利用DHA和葡萄糖为底物时的代谢通量分配模式差异。

图5. 化学-生物催耦合体系从 CO₂、H₂O 和太阳能合成L-LA 的路线图及性能

化学-生物催耦合途径：首先，化学级联催化实现CO₂和H₂O人工光合成液体阳光甲醇，进而脱氢产生甲醛，在聚合产生DHA。然后，毕赤酵母通过生物代谢将DHA转化为光学纯L-乳酸。化学-生物催化时空分离的耦合起来就是实现了太阳能驱动CO₂和H₂O合成L-乳酸。在摇瓶小试了以化学合成的DHA为原料的生物合成后，放大到5 L发酵罐中进行了补料分批试验评估工程酵母GS115-G的性能，L-乳酸产量可达100 g/L以上。初步性能已达到当前工业糖基发酵的基础水平，验证了毕赤酵母利用DHA进行L-乳酸发酵生产的可行性和工业应用潜力。

基于人工光合成与合成生物学耦合的策略，研究团队设计并构建了一条以DHA为枢纽中间体耦合化学催化与工程生物细胞催化的途径，从太阳能出发，高效转化二氧化碳和水合成太阳燃料甲醇，并进而经DHA合成光学纯L-乳酸，并详细研究了工程Pichia pastoris利用和转化DHA的代谢特征。最后，作者展示了一条完整的“太阳能—甲醇—DHA—乳酸”技术路线，其底物转化率为99%，L-乳酸合成可达100 g/L以上，光学纯度达99.5%以上，展现了应用潜力。该途径太阳能总利用效率达15%以上，超过自然光合作用的能量转化效率，为绿色生物制造高值产物提供了低碳路径。

相关论文发表在ACS新期刊Artificial Photosynthesis上，中国科学院大连化学物理研究所博士研究生张亚静为文章的第一作者，李灿院士和王旺银副研究员为通讯作者。

李灿，中国科学院大连化学物理研究所研究员，博士生导师，2003年当选中国科学院院士，2005年当选第三世界科学院院士，2008年当选欧洲人文和自然科学院外籍院士。曾任催化基础国家重点实验室主任（1998-2014）、中国化学会催化委员会主任(2005-2012，2017-至今)、曾任国际催化学会理事会主席（2008-2012），亚太催化协会主席(2013-2017)，以及第16届国际催化大会（ICC16）主席。 

主要从事催化材料、催化反应和催化光谱表征方面的研究，包括绿色催化研究和燃料油超深度脱硫等环境催化研究；多相手性催化研究；DNA催化研究以及紫外拉曼光谱和超快光谱表征研究等。从2001年起，致力于太阳能转化和利用科学研究，包括太阳能光（电）催化分解水、二氧化碳还原等人工光合成研究和新型太阳电池探索研究等。

研究成果先后获得国家科技发明二等奖（1999年），国际催化奖（2004年，国际催化领域的最高荣誉），中国科学院杰出科技成就奖（2005年），何梁何利科学技术进步奖（2005年），国家自然科学二等奖（2011年），中国催化成就奖（2014）,日本光化学奖（2017年），亚太催化成就奖（2019年），国际清洁能源“创新使命领军者”奖（2020年）以及中法化学讲座奖（2021年），中国可再生能源学会科技一等奖（2021年），辽宁省自然科学一等奖（2024年）等。

王旺银，中国科学院大连化学物理研究所能源催化转化全国重点实验室，副研究员，硕士生导师，中科院青年创新促进会会员。研究方向主要致力于人工光合成，人工光合与生物酶/合成生物耦合催化CO₂转化合成生物基化学品等。其研究成果在国际核心期刊Nature Commun., Angew. Chem. Int. Edit., Energy Environ, Sci., Chin. J. Catal.和Metabolic Engineering等发表论文20余篇。