光驱动的二氧化碳固定生物系统，用于直接从二氧化碳生物合成多碳化合物

《Chinese Journal of Catalysis》：Light-powered CO 2 fixation biosystem for the direct biosynthesis of multi-carbon chemicals from CO 2

光能驱动CO?固定生物系统（LCFB）通过整合新型PM循环与天然叶绿体膜，实现CO?高效转化为醇类、醛类等多碳化合物，并模块化扩展碳链以提升产物多样性，为可持续生物制造提供新路径。

　　

李颖颖|张健|陶宇轩|柴天天|赵春雷|陈秀来

江南大学生物技术学院及教育部工业生物技术重点实验室，中国江苏省无锡市214122

摘要

依赖二氧化碳（CO₂）转化的可持续生物制造有助于减少对化石燃料的全球依赖，并加速未来绿色经济的发展。然而，CO₂转化受到低效的CO₂固定途径、再生还原能力和能量的不足以及产品范围有限的限制。本研究开发了一种光驱动的CO₂固定生物系统（LCFB），该系统将一种全新的丙酮酸脱羧酶/苹果酸酶（PM）循环与天然类囊体膜结合，用于CO₂固定和能量再生。这种合成的LCFB能够以2.37 nmol min^–1 mg^–1蛋白质的速率将CO₂转化为有机分子，这一转化效率与天然CO₂固定系统相当。此外，通过设计和构建多种可插拔式的C₂₊再循环途径，LCFB被编程为延长碳链长度，从而生产多碳化合物。最终，这种由光驱动的LCFB能够直接从CO₂生物合成多种多碳化合物，如醇类、醛类、有机酸和氨基酸。本研究为开发一种碳负排放的多功能平台提供了可能，从而拓宽LCFB的应用范围，并推动未来可持续生物制造的发展。

引言

随着人口增长和工业转型的发展，温室气体排放（如二氧化碳（CO₂）急剧增加，引发了严重的环境问题[1, 2, 3, 4]。为解决这些问题并加速实现全球碳中和，人们开发了多种有效策略来高效捕获和利用CO₂，包括热催化转化[5, 6]、电催化[7]、光催化[8]、光电催化[9]和生物催化[10]。其中，利用生物催化进行CO₂固定符合自然过程，具有安全性、高效性和环境可持续性等优势[11, 12, 13, 14]。生物催化作为一种环保的CO₂转化方法，可将大气中的CO₂转化为生物燃料和生化产物[15]，为建立循环型生物经济中的绿色可持续碳循环提供了有力途径，并具有减少碳排放和实现碳中和的巨大潜力[16, 17]。

最近，人们开发并实施了多种基于天然和合成CO₂固定途径的生物方法来利用CO₂，重点在于生产高附加值化学品[18]。自然进化过程中形成的多种碳固定途径展示了自然界在固定CO₂以合成有机化合物方面的卓越智慧[15]，包括Calvin-Benson-Bassham（CBB）循环[19]、还原性三羧酸（rTCA）循环[20]、3-羟基丙酸酸-4-羟基丁酸（HP/HB）循环[21]、Wood-Ljungdahl（WL）途径[22]、还原性甘氨酸（rGly）途径[23]等。例如，通过过表达CBB循环中的关键限速酶RuBisCO，其CO₂同化效率得到提高，使工程化蓝细菌能够分别以6230 mg L^–1 day^–1和45.7 mg L^–1的产率生产异丁醛和游离脂肪酸[24]。然而，由于碳损失过程、羧化酶的催化效率低下以及天然CO₂固定途径的稳定性不足，天然CO₂固定途径的转化效率仍然有限。为了进一步提高CO₂转化效率，人们探索和开发了许多全新的碳固定途径，用于生产多种高附加值化学品，包括CETCH循环[25]、rGPS-MCG循环[26]、THETA循环[27]、ASAP途径[28]、HOPAC循环[29]等。例如，ASAP途径能够将CO₂转化为淀粉，淀粉合成速率达到了22 nmol min^–1 mg^–1（基于催化剂和蛋白质总量），大约是玉米中淀粉合成速率的8.5倍[30]。类似地，CETCH循环可以直接从CO₂合成复杂分子如6-脱氧赤藓醇酯B（6-DEB），其积累量可达31.9 μmol L^–1[31]。尽管这些成就代表了CO₂生物利用的重大进展，但这些CO₂固定途径通常较为复杂，且消耗大量能量和还原能力，限制了其在有机化合物生物合成中的效率。因此，设计简短且节能的CO₂固定途径至关重要。此外，一种能够同时再生能量和还原能力的可再生、高效能源对于优化非天然CO₂固定途径至关重要。例如，模仿菠菜叶绿体的光驱动CETCH循环被开发用于CO₂转化[32]。尽管利用叶绿体模拟物进行的光驱动CO₂固定已用于生产甘油酸，但产物种类仍然有限。为解决这些问题，需要开发高效且安装了可持续能源引擎的CO₂固定途径，并进一步对其进行编程，以实现从CO₂直接灵活高效地生物合成多碳化合物。

在本研究中，我们通过将全新的CO₂固定途径与天然类囊体膜（TKs）结合，设计并构建了一种光驱动的CO₂固定生物系统（LCFB）。随后，通过设计和构建可插拔式的C₂₊再循环途径，该合成LCFB被编程为延长碳链长度，从而生产醇类、醛类、有机酸和氨基酸等多碳化合物。这项研究不仅为设计、构建和扩展全新的碳固定途径奠定了坚实基础，也为未来以可持续和碳中和的方式从CO₂生物生产多种高附加值化学品取得了重要进展。

研究片段

菌株和质粒

本研究使用的所有质粒和蛋白质序列列在补充表7和8中。重组质粒的构建使用了pET-28a质粒。本研究使用的所有酶均插入到pET-28a质粒中。蛋白表达的宿主菌株为E. coli BL21(DE3)，最初在含有卡那霉素（0.1 mmol L^–1）的LB培养基中，于37 °C和200 rpm条件下摇床培养12小时。然后，将种子液转移到含有卡那霉素（0.1 mmol L^–1）的TB培养基中

设计光驱动的CO₂固定生物系统

在设计全新的CO₂固定途径时，乙酰辅酶A（acetyl-CoA）被视为CO₂固定的主要底物。乙酰辅酶A不仅是最常见的C2化合物之一，还与微生物的核心代谢密切相关。为了将乙酰辅酶A转化为C3化合物，乙醛脱氢酶（ADH）催化乙酰辅酶A生成乙醛。以乙醛作为C2受体分子，第一个CO₂固定反应是通过将乙醛羧化成C3化合物来实现的

结论

本研究设计了一种结合PM循环和天然类囊体膜（TKs）的LCFB，并进一步对其进行编程，以延长碳链长度，从而从CO₂生物合成多种化学品，包括醇类、醛类、有机酸和氨基酸。为了利用丙酮酸脱羧酶和苹果酸酶进行CO₂同化，通过代谢逆合成方法制定了PM循环。该PM循环包含五个催化反应，将两个CO₂分子转化为一个甘油酸分子

利益冲突

作者声明没有利益冲突。