CN115927497A - 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 - Google Patents
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Abstract
本发明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‑HCl pH 7.5或者MOPS缓冲液pH 7.5,四氢叶酸、二硫苏糖醇、碳一底物、磷酸吡哆醛、铵盐、H蛋白突变体、P蛋白、T蛋白;在该体系加入碳酸氢根溶液,制得氨基酸及其衍生物。本发明方法通过组装高效的体外催化反应机器实现了空气中二氧化碳的高附加值利用,可以实现远优于体内生物法固定二氧化碳的效率;此外,采用本发明的方法不需要NADH的参与,不需要ATP的添加,可以极大的降低成本,便于较大规模固定空气中的二氧化碳生产高附加值的产物。
Description
技术领域
本发明属于固碳方法技术领域,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。
背景技术
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。
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。
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·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-Oxaloacetate acetylhydrolase-Acetate CoA ligase-Pyruvate:ferredoxinoxidoreductase),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。
表1体外人工合成固碳途径性能比较
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。
发明内容
本发明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)。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
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-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。
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。
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。
进一步地,碱性溶液的浓度为0.001-10M。
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。
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,0-5000μM,0-1000μM,0-1000μM,且均不取到0。进一步地,所述的反应温度为5-95℃。
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(Serinehydroxymethyltransferase,SHMT),用于将甘氨酸转变成丝氨酸。
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。
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。
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。
E12位突变体指的是E12A,E12F,E12G,E12K,E12P,E12Q,E12R,E12V,E12Y中任一种。
H蛋白热处理指的是60-90℃,5-30min热处理,然后使用。
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,甲酸反应生成的甲醛,与四氢叶酸混合自发反应生成5,10-亚甲基-四氢叶酸,接着用T蛋白将5,10-亚甲基-四氢叶酸和铵根离子连接到H蛋白突变体的硫辛酸壁上生成硫辛酰胺臂,最后P蛋白催化来自于碳酸氢根的二氧化碳和硫辛酰胺臂上的氨甲基反应生成甘氨酸。该过程在体外条件下进行反应,不依赖于生物体,可利用低浓度的二氧化碳气体,如空气中的二氧化碳为底物合成氨基酸。
本发明的有益效果是:
本发明提供了一种高效的以低浓度的二氧化碳,包括空气中二氧化碳,为原料制备氨基酸和丙酮酸及其衍生物的技术,利用整合的低浓度二氧化碳化学吸附和多酶(包括非酶催化)催化反应体系,可以实现空气中等低浓度的二氧化碳和甲醇,甲醛或甲酸等碳一底物双固定,反应生成甘氨酸等氨基酸;本发明在一定程度上克服了利用低浓度二氧化碳合成氨基酸面临的困难,通过化学吸附和体外组装高效的催化反应机器,可以实现远优于体内生物法固定二氧化碳的效率(通常<10nmol/min/mg细胞干重)。采用本发明的方法二氧化碳固定效率可以达到接近80nmol/min/mg关键蛋白,而且反应过程不需要还原当量NADH的参与,不需要能量分子ATP的添加,可以极大的降低成本,便于较大规模上利用空气中二氧化碳等低浓度的二氧化碳源合成高附加值产品。
附图说明
图1利用低浓度二氧化碳气体进行氨基酸合成流程图;
图2以氨水吸附二氧化碳生成的碳酸氢铵为原料合成甘氨酸
图3以KOH碱性溶液吸附二氧化碳生成的碳酸氢根离子和甲醛合成甘氨酸(含反应路径)。
图4以KOH碱性溶液吸附二氧化碳生成的碳酸氢根离子和甲醇合成甘氨酸,丝氨酸和丙酮酸。A,路线图;B,甘氨酸合成;C,丝氨酸合成;D,丙酮酸合成。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。
本发明方法基于低浓度的二氧化碳气体,通过化学吸附和体外多酶(含非酶化学反应)分子机器实现空气中二氧化碳等低浓度的二氧化碳,高效利用合成氨基酸,其中化学吸附指的是碱液吸附,如氨水溶液,生成的碳酸氢铵可以作为合成氨基酸的铵离子和羧酸根离子的来源,与后续合成氨基酸体系完美整合;体外多酶分子机器指的是含有化学催化-二硫苏糖醇DTT介导的二硫键还原化学反应和可逆甘氨酸裂解体系(rGCS)的复合体系,rGCS有3个蛋白组成,包括P蛋白(磷酸吡哆醛依赖甘氨酸脱氢酶,EC 1.4.4.2),T蛋白(四氢叶酸依赖的氨甲基转移酶,EC 2.1.1.10),和H蛋白(氨甲基载体蛋白),本发明中利用5,10-亚甲基-四氢叶酸和二氧化碳吸附生成的碳酸氢根离子作为一碳供体,铵盐(如氨水吸附生成的铵离子)作为氮供体,以H蛋白突变体上附着的还原型硫辛酸臂作为骨架,在T蛋白的作用下,将氨甲基连接在硫辛酸上;然后P蛋白利用二氧化碳为底物,在P蛋白的催化条件下,二氧化碳分子和硫辛酰胺臂上的氨甲基结合,生成甘氨酸,同时硫辛酸臂回到氧化态,二硫苏糖醇DTT转化氧化态的硫辛酸臂到还原态,以供启动下次循环。
本发明中涉及的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;
H蛋白原始序列
MSNVPAELKYSKEHEWLRKEADGTYTVGITEHAQELLGDMVFVDLPEVGATVSAGDDCAVAESVKAASDIYAPVSGEIVAVNDALSDSPELVNSEPYAGGWIFKIKASDESELESLLDATAYEALLEDE
Y70位突变体指的是Y70A,Y70V,Y70N,Y70P,Y70T,Y70R,Y70F,Y70K,Y70G,Y70I,Y70L,Y70W中任一种。
E12位突变体指的是E12A,E12F,E12G,E12K,E12P,E12Q,E12R,E12V,E12Y中任一种。
H蛋白热处理指的是60-95℃,5-30min热处理,然后使用。
其中,突变体命名是以突变点位置编号(起始位编号为0)及其突变前后氨基酸进行命名,如Y70A表示编号70的氨基酸由H蛋白的Y(Tyr)替换成A(Ala)后获得的H蛋白突变体。
下述实例中具体使用的突变体是Y70A,Y70P和Y70W。
Y70A序列
MSNVPAELKYSKEHEWLRKEADGTYTVGITEHAQELLGDMVFVDLPEVGATVSAGDDCAVAESVKAASDIAAPVSGEIVAVNDALSDSPELVNSEPYAGGWIFKIKASDESELESLLDATAYEALLEDE
Y70P序列
MSNVPAELKYSKEHEWLRKEADGTYTVGITEHAQELLGDMVFVDLPEVGATVSAGDDCAVAESVKAASDIPAPVSGEIVAVNDALSDSPELVNSEPYAGGWIFKIKASDESELESLLDATAYEALLEDE
Y70W序列
MSNVPAELKYSKEHEWLRKEADGTYTVGITEHAQELLGDMVFVDLPEVGATVSAGDDCAVAESVKAASDIWAPVSGEIVAVNDALSDSPELVNSEPYAGGWIFKIKASDESELESLLDATAYEALLEDE
实施例1
利用氨水吸附空气中的二氧化碳合成甘氨酸
反应体系:含有420ppm二氧化碳的空气通入10毫升的氨水溶液中,待吸附饱和(出口尾气中二氧化碳浓度恢复到400ppm左右)后,生成的碳酸氢铵溶液作为合成氨基酸的原料。
反应原理:氨水碱性溶液和空气中的二氧化碳分子进行反应,生成碳酸氢铵,其中碳酸氢根离子作为合成氨基酸的羧基来源,铵根离子作为合成氨基酸的氮来源,与合成氨基酸体系适配性良好。
CO2(g)+NH3(aq)+H2O(I)→NH4HCO3(aq)
本例使用的氨水质量浓度为10%,初始pH为12.5,吸附饱和后pH约为9.3;后续实验中采用两种不同浓度的碳酸氢铵50mM和100mM,进行甘氨酸的合成,反应体系和甘氨酸的合成见图2,在50mM的碳酸氢铵条件下,可以生成6.5mM甘氨酸;在100mM的碳酸氢铵条件下,可以生成9.2mM的甘氨酸。氨基酸的具体测量方法见实施例2。
实施例2
利用氢氧化钾吸附空气中的二氧化碳合成甘氨酸
1、空气中二氧化碳的吸附
反应体系:反应体积15毫升,其中含有的成分及其终浓度如下:1M的氢氧化钠或氢氧化钾溶液;将空气通入其中。
反应原理:氢氧根离子和二氧化碳分子反应,生成碳酸根和碳酸氢根离子,碳酸根离子和碳酸氢根离子的比例取决于反应体系的pH值。
结果:72小时之后,20毫升1M的氢氧化钾溶液总共吸收4mmol的二氧化碳,最终的pH值在8.6左右,生成的碳酸氢根浓度大约在200mM。
2、吸附的二氧化碳和甲醛生成甘氨酸
含有Tris-HCl pH 7.5或者MOPS缓冲液pH 7.5,四氢叶酸(tetrahydrofolate,THF)0.5mM,二硫苏糖醇(Dithiothreitol,DTT)20mM,甲醛20mM(分两次加入),磷酸吡哆醛(Pyridoxal phosphate,PLP)25μM,氯化铵100mM,H蛋白突变体60μM,P蛋白5μM,T蛋白5μM,然后通入第一步制备的碳酸氢根溶液50mM。
反应原理:
首先甲醛和四氢叶酸(tetrahydrofolate,THF)结合,生成5,10-亚甲基-四氢叶酸(5,10-CH2-THF),这一步反应是非酶自发化学反应,
5,10-亚甲基-四氢叶酸作为一碳供体,铵盐作为氮供体,以H蛋白上附着的还原型硫辛酸臂作为骨架,在T蛋白的作用下,将氨甲基连接在硫辛酸上;然后在P蛋白的催化条件下,二氧化碳分子(来自于溶液中的碳酸氢根)和硫辛酰胺臂上的氨甲基结合,生成甘氨酸,硫辛酸臂回到氧化态,二硫苏糖醇DTT可以转化氧化态的硫辛酸臂到还原态,便于启动下次循环。
反应条件:
1、制备反应用的酶制剂。用1升LB培养基分别培养过量表达H突变体,P蛋白和T蛋白的大肠杆菌BL21(pET28a-Hmut),BL21(pET28a-P),BL21(pET28a-T),然后收集菌体,使用Lysis Buffer重悬并进行菌体破碎(超声破碎/高压匀浆);12000rpm下离心1h;上清液倒入镍柱,可回收液体再重复挂两次;加入Wash Buffer冲洗杂蛋白,然后加入少量ElutionBuffer冲洗并收集,一般两三次洗脱就能够洗掉大部分蛋白,将这些蛋白液收集到超滤管中准备除盐。超滤使咪唑和氯化钠浓度降至1mM以下;所得酶液加入终浓度10%甘油,使用蛋白浓度测定试剂盒检测蛋白浓度,然后保存于-80℃冰箱。
2、按反应体系(如上)配置1毫升反应液,然后置于反应容器中,37摄氏度。每隔一定的时间取样进行氨基酸分析。
3、每一个样品都加入终止剂160uL,衍生试剂200uL,稀盐酸600uL。其中终止剂:0.2mM碳酸氢钠;衍生试剂:每1mL乙腈溶解有5.4mg丹磺酰氯;稀盐酸:取浓盐酸稀释100倍,用于中和pH;处理完后的样品通过高效液相色谱监测甘氨酸的浓度。具体高效液相色谱的条件如下:
色谱柱:Shim-pack GWS C18,4.6×150mm,5μM;
流动相:(A)20mM,pH=6.0,磷酸钠溶液;(B)50%乙腈;
柱温:35℃;
检测波长:254nm;
流速:0.8mL/min;
洗脱条件:等度洗脱,50%(B)。
结果:反应在5.5小时,生成17mM的甘氨酸(图3)。
实施例3
利用空气中的二氧化碳和甲醇合成甘氨酸,丝氨酸和丙酮酸
1、空气中二氧化碳的吸附
反应体系:反应体积15毫升,其中含有的成分及其终浓度如下:1M的氢氧化钠或氢氧化钾溶液;向其中通入空气。
反应原理:氢氧根离子和二氧化碳分子反应,生成碳酸根和碳酸氢根离子,碳酸根离子和碳酸氢根离子的比例取决于反应体系的pH值。
结果:72小时之后,20毫升1M的氢氧化钾溶液总共吸收4mmol的二氧化碳,最终的pH值在8.6左右,生成的碳酸氢根浓度大约在200mM。
2、吸附的二氧化碳和甲醇生成甘氨酸
反应体系:Tris-HCl pH 7.5或者MOPS缓冲液pH 7.5,THF 0.5mM,DTT 20mM,甲醇20mM,磷酸吡哆醛PLP 25μM,氯化铵100mM,H蛋白突变体60μM,P蛋白5μM,T蛋白3μM,然后加入50mM第一步制备的碳酸氢根溶液。
反应条件:
1、制备反应用的酶制剂。用1升LB培养基分别培养过量表达H突变体,P蛋白和T蛋白的大肠杆菌BL21(pET28a-Hmut),BL21(pET28a-P),BL21(pET28a-T),然后收集菌体,使用Lysis Buffer重悬并进行菌体破碎(超声破碎/高压匀浆);12000rpm下离心1h;上清液倒入镍柱,可回收液体再重复挂两次;加入Wash Buffer冲洗杂蛋白,然后加入少量ElutionBuffer冲洗并收集,一般两三次洗脱就能够洗掉大部分蛋白,将这些蛋白液收集到超滤管中准备除盐。超滤使咪唑和氯化钠浓度降至1mM以下;所得酶液加入终浓度10%甘油,使用蛋白浓度测定试剂盒检测蛋白浓度,然后保存于-80℃冰箱。醇氧化酶(Alcohol oxidase,AOX,A2404)购自sigma公司和过氧化氢酶(Catalase,CAT,S25687-10ml)购自源叶生物公司。
2、按照20mM甲醇和3U/ml AOX,100U/ml CAT混合,反应半小时后,加入如下反应组分至反应终浓度THF 0.5mM,DTT 20mM,磷酸吡哆醛PLP 25μM,氯化铵100mM,H蛋白突变体60μM,P蛋白5μM,T蛋白5μM,然后置于反应容器中,37摄氏度,加入50mM第一步制备的碳酸氢根溶液启动反应,每隔一定的时间取样进行氨基酸分析。
3、每一个样品都加入终止剂160uL,衍生试剂200uL,稀盐酸600uL。其中终止剂:0.2mM碳酸氢钠;衍生试剂:每1mL乙腈溶解有5.4mg丹磺酰氯;稀盐酸:取浓盐酸稀释100倍,用于中和pH;处理完后的样品通过高效液相色谱监测甘氨酸的浓度。具体高效液相色谱的条件如下:
色谱柱:Shim-pack GWS C18,4.6×150mm,5μM;
流动相:(A)20mM,pH=6.0,磷酸钠溶液;(B)50%乙腈;
柱温:35℃;
检测波长:254nm;
流速:0.8mL/min;
洗脱条件:等度洗脱,50%(B)。
结果:以20mM甲醇为底物,通过多酶循环反应,在4小时后生成13mM的甘氨酸(图4)。
实施例4
在实施例3的基础上,加入催化甘氨酸到丝氨酸的丝氨酸羟甲基转移酶(Serinehydroxymethyltransferase,SHMT),然后甘氨酸可以转变成丝氨酸。
以20mM甲醇为底物,即在实例3的基础上加入20μM的SHMT,在8小时后生成7.5mM的丝氨酸(图4)。
实施例5
在实施例4的基础上,加入催化丝氨酸到丙酮酸的丝氨酸脱水酶(Serinedehydratase,Lsd)。
以20mM甲醇为底物,通过多酶循环反应,即在实例4的基础上加入5μM的Lsd,在5小时后生成6.9mM的丙酮酸(图4)。
Claims (8)
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,所述的反应体系中碱溶液浓度范围为0.001-10M。
6.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,所述的反应体系中THF、DTT、碳一底物、PLP、铵离子、H蛋白突变体、P蛋白、T蛋白的浓度范围分别为:0-200mM,0-200mM,0-1000mM,0-100mM,0-500mM,0-5000μM,0-1000μM,0-1000μM。
7.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,所述的反应温度为5-90℃。
8.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。
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CN114395012A (zh) * | 2022-01-05 | 2022-04-26 | 宁波(北仑)中科海西产业技术创新中心 | 一种固定二氧化碳合成多肽的方法 |
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