如何緩解全球CO2減排壓力，為化工產業綠色可持續發展提供新的途徑，是全社會共同關心的問題。而高效的CO2微生物固定技術，不僅能有效緩解溫室效應，還能為化工產品生產拓展新原料，對實現“碳達峰”和“碳中和”具有重要意義。
CO2是地球上最主要的溫室氣體，但同時也是自然界最為豐富的碳一資源（如CO2、甲酸、甲醇等含有一個碳原子的物質，可當作資源被利用）。因此，若能發展高效的CO2捕集和轉化技術，將其轉化成酯、醇、醚、酸等具有高應用價值和高經濟效益的化學產品，溫室效應等問題或將隨之得到改善。
CO2的資源化利用
CO2捕集和轉化技術可分為物理、化學和生物3種。物理固定技術是對CO2進行分離、收集和濃縮，再將其輸送至地下或深海中實現儲存，但很容易受地殼運動的影響，繼而發生CO2泄漏，造成新的生態問題。化學固定方法則是以CO2為底物生產化工產品，或將其插入化學鍵中製備有機物，然而該過程會消耗大量的試劑，並產生多種新的副產物。而通過模擬植物光合作用開發的微生物細胞捕集和轉化CO2的技術體係，具有運行成本低、安全性高等特點，為CO2高效封存提供了一種可持續發展的新方法。但要實現這一目標，核心在於改造微生物，進而直接利用CO2和光能合成高值化學品，為此需要解決兩個關鍵的科學問題：如何設計高效的CO2固定途徑，如何為CO2固定提供充足的能量。
多種多樣的固碳微生物
自然界存在著兩大類固定CO2的微生物，一類是自養型，另一類是異養型。
自養型固碳微生物具有完善的能量捕獲係統，能利用CO2為唯一碳源生長。根據能量捕獲途徑的不同，自養型微生物又可分為光能自養型和化能自養型。
光能自養型主要是微藻類、光合細菌和藍藻等。其中，微藻的光能利用率可達10%~15%，每年可固定全球40%以上的CO2，在碳循環中發揮重要作用；光合細菌能將CO2轉化為多種化合物，模式菌株包括類球紅細菌、莢膜紅菌和沼澤紅假單胞菌等，每克菌體在單位小時內的固碳量可達12.4 毫克；藍細菌具有較強的光合係統，能吸收廣泛的太陽光波長，光能利用率可達10%以上，是陸生植物的10倍，模式菌株包括聚球藻、魚腥藻和集胞藻等。
化能自養型微生物，如鐵細菌、一氧化碳細菌、硫氧化細菌和硝化細菌等，則是通過氧化亞鐵化合物、硫化氫、亞硝酸鹽等有機物產生電子，再經過電子傳遞鏈產生三磷酸腺苷和還原態輔酶Ⅰ，驅動CO2固定。
高效固碳的微生物細胞工廠
異養型固碳微生物主要利用自身的固碳酶來固定CO2，具有生長速度快、易放大和遺傳背景清晰等優點。科學家們在20世紀初就發現了戊糖丙酸杆菌中存在固碳途徑，隨後發現大腸杆菌、釀酒酵母和穀氨酸棒狀杆菌等都具有一定的固碳能力。但是，天然異養微生物存在固碳效率低、能量供應不足等缺點，導致難以大規模應用。因此，通過合成生物學的技術手段改造異氧微生物，能顯著提升其固碳能力，如工程化改造大腸杆菌BL21(DE3)，可使其固碳效率與藍藻相當；通過代謝工程改造釀酒酵母YSX4C222，可將固碳效率提高75倍。由此可見，微生物展現出強大的固碳潛力，在CO2利用方麵大有可為。
天然和人工的固碳途徑
科學家們已經發現微生物中存在7條天然固碳途徑，根據代謝特點和固碳種類可分為三大類。
第一類是磷酸戊糖途徑相關的卡爾文循環。CO2進入該循環，在酶和能量的催化驅動下形成糖。雖然它是最普遍的固碳途徑，但關鍵酶二磷酸核酮糖羧化酶（Rubisco）存在效率低和易發生副反應等缺點。近幾年來，隨著關鍵酶Rubisco晶體結構被解析，結合計算機模擬和蛋白質改造策略，能顯著提高其催化性能。2019年，這一途徑被引入大腸杆菌中，獲得了能同時利用CO2和木糖的工程菌，隨後利用適應性進化的方法，逐步消除工程菌對木糖的依賴，得到了僅利用CO2為唯一碳源就能生長的自養菌 [3]。
第二類是直接還原CO2的還原乙酰輔酶A途徑和還原性甘氨酸途徑。它們都是首先將一部分CO2還原為甲酸，然後再同化另一部分CO2生成碳二化合物（如乙醇、乙醛和乙酸等含有兩個碳原子的化合物）。但還原乙酰輔酶A途徑是厭氧途徑，限速酶分別是甲酸脫氫酶、一氧化碳脫氫酶和呋喃脫氫酶；而還原性甘氨酸途徑則是耐氧途徑，限速酶是甘氨酸裂解酶複合體。
第三類是靠近碳中心代謝的4條固碳循環途徑：①能同時固定CO2和HCO3-的二羧酸/4-羥基丁酸循環。它們先通過丙酮酸合酶固定1摩爾CO2，再通過磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶固定1摩爾HCO3-。由於其限速酶4-羥基丁酰輔酶A脫水酶中含有氧不穩定的鐵硫中心，所以為厭氧途徑；②僅固定HCO3-的3-羥基丙酸/4-羥基丁酸循環 和3-羥基丙酸循環。它們具有高耗能、長路徑的特點，可通過乙酰輔酶A和丙酰輔酶A羧化酶固定HCO3-；③僅固定CO2的還原三羧酸循環。含有3種不可逆的酶：富馬酸還原酶、2-酮戊二酸合成酶和檸檬酸合成酶，其中，2-酮戊二酸合成酶是重要的固碳元件。該途徑為低耗能的耐氧途徑，能利用光能使每個循環固定CO2。
上述7條天然路徑由於反應複雜、效率較低等原因，難以滿足實際需求。因此科學家們開始設計和構建人工固碳途徑：①理論設計。借助生物信息學和基因組網絡模型，通過計算路徑反應的自由能、熱力學和動力學等，評估路徑可行性。②固碳元件選取。從BRENDA、KEGG和UNIPORT等數據庫挖掘固碳路徑中的固碳羧化酶和固碳還原酶，並進行生物化學和酶動力學測定。③固碳元件改造。通過體外和體內實驗，確定固碳路徑的限速酶，並對其進行蛋白質工程改造，提高固碳效率。④固碳路徑構建。將最優固碳元件進行體內組裝和優化，提高固碳途徑的效率。
簡易的人工固碳途徑
根據這些原則，國外科學家們以羧化酶為起點，篩選了17個固碳元件，構建了能量消耗減少40%而CO2轉化速率可提高兩倍的循環途徑。另有國內學者設計了一個可以在厭氧和50℃條件下固定CO2的簡易人工固碳循環（POAP循環），其反應過程僅需4種酶，實現了高效固碳。此外，還有研究者借助計算機輔助挖掘，設計了新型固碳途徑，用於改善大腸杆菌的生長。為了將人工途徑與微生物生產相偶聯，筆者團隊在大腸杆菌中設計和構建了一條產生ATP的蘋果酸合成途徑（PCK途徑），通過耦合耗能的CO2固定途徑和產能的PCK途徑，開發了能量平衡的蘋果酸合成係統，使CO2固定率提高了870%，蘋果酸產量達到387毫摩爾每升 [4]。
簡便高效的供能方法
除了構建人工固碳途徑外，給予充足的能量供應也是提高微生物固碳效率的關鍵瓶頸。為此，科學家們借助合成生物學的技術策略，分別針對自養和異養微生物發明了多種供能方法，以此提升CO2的固定效率 [6]。
對於光能自養型微生物，可通過改造捕光天線核心蛋白和構建新型納米材料組成的捕光係統，增強光合作用的半飽和強度和光子捕獲能力，提高光子轉換為質子和電子的能力，促進能量產生。而對於化能自養微生物，主要通過改造膜相關氧化還原蛋白，如MtrB和CymA，以及過表達銅藍蛋白等無機氧化酶，來提高電子產生和轉移的效率，獲得能量供應。對於電自養微生物（利用電能驅動碳固定，滿足自身生長需要的微生物），則主要通過優化陰極電極的結構或開發鈷磷合金或者銦箔等無機陰極催化劑，促進電子捕獲並介導電子轉移到微生物細胞中，強化能量產生。
開發高效的供能係統
異養微生物的能量主要來自有機物的分解代謝，因此，“開源節流”是提高能量供應的有效方法。研究者可通過提高底物水平磷酸化、增加胞內還原態輔酶Ⅰ供應和提高電子傳遞鏈產能效率等強化本源供能係統的策略，或者引入異源代謝途徑、開發電化學係統和構建生物—雜合係統等外源能量供應係統來進行“開源”。筆者團隊設計了自組裝硫化鎘捕光係統並應用於大腸杆菌中，在藍光照射下，胞內還原態輔酶Ⅰ的含量提高62%，進而顯著提升了CO2的固定效率 [7]。此外，“節流”能最大限度地減少非必需反應的能量消耗，包括用能耗少的代謝途徑替代耗能高的代謝途徑、抑製或者阻斷耗能副產物的形成、刪除非必需基因等，減少不必要的能量消耗，為異養微生物固定CO2提供足夠的能量供應。也有研究通過刪除調控大腸杆菌鞭毛運動的62個基因，減少了大約20%的能量消耗，提高了CO2的固定效率 [8]。
化碳為寶的細胞工廠
微生物生產具有占地少、易控製和單位麵積產能高等顯著優勢。借助合成生物學方法在微生物中構建的高效固定CO2細胞“工廠”，可將CO2轉化為澱粉、蛋白質、燃料和材料單體等高價值產品，正所謂是小個頭、多功能、大產業。
合成澱粉
植物通過光合作用固定CO2生產澱粉的路徑涉及60餘步代謝反應，理論轉化率僅為2%左右。我國科學家們從頭設計，構建了由四大模塊涉及11步反應的人工澱粉合成代謝途徑（artificial starch anabolic pathway, ASAP），首次實現了從CO 2到澱粉分子的全合成。檢測發現，人工合成的澱粉分子與天然澱粉分子的結構組成一致。實驗室結果顯示，人工合成澱粉的效率約為傳統農業生產澱粉的8.5倍。在充足能量供給的條件下，按照目前技術參數，理論上1噸發酵罐年生產澱粉總量相當於我國5畝（1畝=666.7平方米）玉米地的年產澱粉量 [9]。
固定CO2合成澱粉
C1模塊：從CO2合成含1個碳原子化合物（甲醇和甲醛）的模塊；
C3模塊：在C1模塊的基礎上，合成含有3個碳原子的化合物（二羥丙酮、磷酸二羥丙酮和甘油醛-3-磷酸）的模塊；
C6模塊：在C3模塊的基礎上，合成含有6個碳原子的化合物（果糖-1,6-二磷酸、果糖-6-磷酸、葡萄糖-6-磷酸）的模塊；
Cn模塊：在C6模塊的基礎上，合成具有n個碳原子的化合物（澱粉）的模塊。
合成蛋白質
當前，利用微生物固定CO2合成蛋白質領域已有了長足進展。有研究院校同企業合作，突破了自然光合固碳的限製，以鋼鐵廠、電廠含CO和CO2的尾氣及氨水為原料，經乙醇梭菌發酵、離心、幹燥後獲得了一種新型乙醇梭菌蛋白質。其粗蛋白含量超過80%，必需氨基酸含量及其結構比例接近魚粉蛋白，優於豆粕蛋白。目前，這一技術已實現萬噸級蛋白產能，開辟了一條“低成本、非傳統動植物資源生產優質蛋白質”的新途徑。如果能在我國更多的鋼鐵企業、石化企業和煤炭加工廠推廣應用，將是一場有效促進碳循環、碳利用和碳捕集的碳革命。
合成燃料
為了供應充足的燃料，科學家們已開發出利用微生物固定CO2生產乙醇和生物柴油等燃料的技術。如在利用釀酒酵母發酵生產乙醇的過程中，每生成1分子乙醇就會釋放1分子CO2，造成大量碳損失。為此，科學家們將異源的磷酸核酮糖激酶和二磷酸核酮糖羧化酶導入釀酒酵母中構建卡爾文循環來固定CO2，使乙醇產量提高了25%以上 [10]。此外，研究者還將微藻置於生物反應器中，其吸收陽光和CO2後可生成微藻生物質，經過加工轉化成的生物柴油，熱值是木材和農作物秸稈的1.5倍。
合成生物可降解塑料單體
通過代謝工程改造微生物，能替代石油路徑合成生物可降解材料單體 [11]。如琥珀酸是生物可降解塑料聚丁二酸丁二醇酯（PBS）的重要組成成分，年需求量超過300萬噸。筆者團隊借助合成生物學的方法，在高產琥珀酸的大腸杆菌中引入高效的CO2捕集元件、CO2轉化路徑和光能驅動係統，構建了高效利用CO2生產琥珀酸的碳負性細胞，實現了從化學工藝每生產1噸琥珀酸釋放1.66 噸CO2，到每生產1噸琥珀酸吸收1.63 噸CO2的轉變，開辟了溫室氣體利用的新途徑。
綜上所述，通過解析微生物濃縮和捕集CO2的分子機理，理性設計高效的CO2固定途徑，構建新型能量供應係統，創製捕獲CO2轉化生產有規模化市場需求的燃料、化工產品或建築材料的“碳負性”人工細胞，是建立以CO2為原料的工業生物轉化新路線，減少對石油資源和耕地需求，縮短工藝流程，降低生產成本，有助於我國在新一輪國際競爭中贏得先機的重要策略，為實現“碳達峰”“碳中和”的目標提供微生物解決方案。
[本文相關研究受江蘇省前沿引領技術基礎研究專項（BK20212013）資助。]
劉開放，博士研究生；劉立明，教授：江南大學食品科學與技術國家重點實驗室，無錫 214122。
mingll@jiangnan.edu.cn
Liu Kaifang, Doctoral Candidate; Liu Liming, Professor: State Key Laboratory of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122.
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來源：騾子科技 作者：劉開放 劉立明
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