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摘要：研究小组将利用太阳光的光氧化还原系统与两种酶相组合，利用丙酮结合二氧化碳，以约达80%的高产率成功合成了3-羟基丁酸。3-羟基丁酸是一种不溶于水的强韧聚酯，可作为包装材料中使用的聚羟基丁酸（PHB）的原料。本研究人工再现了自然界的光合作用当中涉及太阳光的光反应和固定二氧化碳的暗反应，并成功合成了生物可降解性塑料PHB的原料。本研究成果有望对塑料和二氧化碳减排这两大问题的解决作出贡献。

关键字：3-羟基丁酸、光氧化还原系统、新型人工光合作用系统、可生物降解性塑料原料、二氧化碳减排

要点

人工光合作用的正确应用！太阳光和二氧化碳利用的新成果。
成功合成可生物降解性塑料原料——3-羟基丁酸。
利用丙酮时的收率达到惊人的80%！

研究背景

塑料大大提升了日常生活的便利性，其作为玻璃、金属和木材等材料的替代品被广泛用于各种用途。但由于材料特性，塑料不容易分解，需要耗费数百年的时间才能够完全自然分解。因此，可自然分解的可生物降解性塑料作为该问题的解决方案备受关注。生物可降解性塑料也可以直接使用微生物来合成，但是，如果能够建立一种新的人工光合作用技术，利用太阳光（可再生能源）和二氧化碳（导致全球变暖的物质）作为原料，就能创新性地在减少二氧化碳排放的同时生产可生物降解性塑料。

在可生物降解性塑料当中，聚羟基丁酸（PHB）尤为受到青睐。这种聚酯由3-羟基丁酸聚合而成（图1），强韧且不溶于水，常用于包装材料。如果PHB的原材料3-羟基丁酸可以用二氧化碳合成，则将同时对塑料和二氧化碳减排这两大问题的解决作出巨大贡献。

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图1. PHB（以3-羟基丁酸为原料）的合成

研究内容

研究小组在光合细菌中发现并提取了丙酮羧化酶（AC）和3-羟基丁酸脱氢酶（HBDH）这两种酶，并将它们加入到由色素和催化剂构成的光氧化还原系统中。结果，二氧化碳和丙酮结合，在AC的作用下生成乙酰乙酸，而乙酰乙酸又在HBDH的作用下转化为3-羟基丁酸。研究表明，利用丙酮时合成3-羟基丁酸的产率非常高，约为80%。

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图2.用丙酮和二氧化碳合成3-羟基丁酸的新型人工光合作用系统

TEOA：三乙醇胺（牺牲性还原剂）

ZnTPPS：水溶性锌卟啉（色素）

[Rh(Cp*)(bpy)(OH₂)]²⁺：铑络合物（催化剂）

AC：丙酮羧化酶（使二氧化碳与丙酮结合生成乙酰乙酸）

HBDH：3-羟基丁酸脱氢酶（使乙酰乙酸生成3-羟基乙酸）

ATP：三磷酸腺苷（促进AC作用的辅助因子）

AMP：单磷酸腺苷

NADH：具有还原能力的辅酶，促进HBDH作用

NAD^＋：NADH被氧化而形成。与NADH相同，具有氧化能力的辅酶

未来发展

计划利用工厂等设施排放废气中的二氧化碳，通过人工光合作用合成3-羟基丁酸。

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利用太阳光和二氧化碳成功合成生物可降解性塑料原料，产率达80%！