编辑推荐：
二氧化碳电化学转化与生物制造协同技术进展，探讨从氢气到甲酸、乙酸的介质优化，揭示工程生物学在代谢重编程与抗逆改造中的核心作用，提出跨学科整合是实现高效碳中和技术的关键路径。
将二氧化碳（CO
2）作为可持续生物制造的原料进行转化，已成为应对全球气候挑战的关键策略。在过去的十年中，电化学过程与生物转化的结合为将二氧化碳转化为高附加值产品（包括生物燃料、生物化学品和生物塑料）建立了一个坚实的技术框架（
图1）。这些系统通常利用氢气（H
2）、甲酸或甲醇等电化学产生的能量载体来驱动微生物生长，而二氧化碳或其还原衍生物则作为生物化学生产的主要碳源（
1）。值得注意的是，当这些电微生物系统与光伏发电结合时，其太阳能到化学能的转化效率可达到约10%（
2），远高于自然光合作用的约1%的效率。此外，这种混合方法能够实现较高的产品选择性，而这在纯非生物催化系统中通常是缺乏的（
1）。
图1
图1. (a) 通过H2、C1和C2化合物介导的电微生物生产过程，这些中间体在材料科学与生物系统之间起到了桥梁作用。(b) 使用C. necator作为微生物平台的最新电微生物系统的PHA产率。
由于电解技术的进步，自2010年代以来，该领域在如何将还原能量从非生物电极传递到生物催化剂方面经历了重要的范式转变。早期研究主要依赖于H
2介导的电子转移（
2）；然而，由于其低溶解度、传质限制和安全性问题，研究人员转向了使用可溶性C
1和C
2中间体（如甲酸和乙酸）（
3,4）（
图1）。这些C
1和C
2中间体为电化学二氧化碳还原与下游生物合成提供了更可扩展且动力学上更有利的接口。
工程生物学也是下一代电微生物生产的重要支柱。它通过重新设计代谢途径和增强细胞稳定性，将电化学领域的进展转化为生物性能。代谢工程长期以来一直通过系统性地克服野生型微生物的生理限制来支持工业发酵。在电微生物系统的背景下，它使得工业底盘能够高效地将电化学产生的前体转化为一系列复杂的高价值分子。工程生物学与先进电合成之间的协同作用为基于二氧化碳的生物制造的成熟发展提供了明确的路线图。
电微生物生产的起源是将电解水分解与氧化氢的微生物（HOMs）相结合。早期的努力集中在开发高效的阴极H
2生成非生物催化剂上，通常与野生型化能自养菌（如醋酸菌或
Cupriavidus necator，以前称为
Ralstonia eutropha）配对使用（
2）。尽管这一以H
2为中心的范式具有基础性，但它存在一些根本的生物学限制。
首先，产品种类受到内在限制。天然HOMs在生理上倾向于合成有限的代谢物，主要是像聚羟基烷酸（PHAs）这样的储存化合物（
2,5,6）。其次，碳通量不佳，因为许多野生型菌株中的天然二氧化碳固定途径具有较低的催化效率（
7）。第三，由于电化学环境常常会产生活性氧（ROS），细胞存活率会受到影响（
2,8）。
工程生物学为这些挑战提供了针对性的解决方案。通过重新设计代谢途径，实现了先进生物燃料和化学品的生物合成（
3）；过表达或优化Calvin–Benson–Bassham（CBB）循环增强了碳同化能力（
7），而异源生产抗氧化剂（如番茄红素）则提高了对ROS的耐受性（
8）。然而，这些生物学干预措施无法克服H
2本身的固有物理限制，即溶解度低、传质受限和安全性问题。这些根本性的瓶颈最终促使该领域转向了其他液态能量载体。
因此，二氧化碳电合成的发展使得电微生物生产转向了甲酸和甲醇等C
1中间体。这些液态介质显著缓解了与气态H
2相关的传质限制，并与合成生物学的并行进展（包括低成本基因组测序、大规模DNA合成和自动化途径设计）相一致。在这一转变中的一个里程碑式发展是工程改造了非天然的工业底盘（如
大肠杆菌），使其能够通过异源或从头开始的途径吸收甲酸或甲醇（
9）。值得注意的是，这些工程菌株的生长动力学和转化效率往往与天然化能自养菌相当甚至更高（
9）。这些进展标志着电微生物生产的一个转折点，即合理设计定制的生物“硬件”而非依赖天然氧化氢代谢成为高效利用二氧化碳的主要驱动力。
虽然基于C
1的平台发展迅速，但它们在能量密度和热力学优势方面仍受到限制，不如C
2或多碳中间体。因此，二氧化碳到乙酸的电合成正成为一种有前景的策略，以实现混合生物制造的新效率。作为一种尚未充分探索但极具吸引力的中间体，乙酸相比H
2或C
1化合物具有更强的热力学驱动力和更简单的代谢入口（
10）。这一“代谢捷径”在模型菌株
C. necator中得到了很好的体现。为了生成中心前体乙酰辅酶A（acetyl-CoA），甲酸的转化需要一个复杂的14步酶促过程；相比之下，乙酸可以直接在一步催化作用下被吸收到乙酰辅酶A池中，然后进入三羧酸（TCA）循环（
5）。
最近关于二氧化碳到PHA合成的研究（
2,4,6）显示，从H
2和甲酸驱动的系统向乙酸介导的平台的转变具有明显的进化趋势（
图1和
表S1）。这一转变显著提高了产量和转化速率，凸显了基于C
2途径的优越能量传递效率。除了代谢动力学优势外，以乙酸为中心的电微生物生产还提供了三个战略优势：
首先，乙酸在几乎所有微生物类群中都能被吸收，使得可以使用具有理想代谢特性的多样化非模式宿主，同时减少了进行大规模基因重编程（如构建完整的二氧化碳固定途径）所带来的代谢负担。其次，乙酸的细胞毒性明显低于甲酸或甲醇，允许更高的稳态浓度和更好的过程稳定性。第三，乙酸发酵在工业上的长期应用为混合电化学-生物系统的规模化提供了成熟的操作基础。尽管如此，该领域尚未建立一个同时优化电化学动力学、碳效率和产品选择性的“黄金标准”平台。虽然生物体对乙酸的吸收效率很高，但最初的电化学合成仍是一个挑战。目前的二氧化碳到乙酸的转化效率通常较低（约为20%
4），远低于甲酸的约90%的转化效率。
电微生物生产的发展轨迹从根本上受到电合成和工程生物学共同进化的影响。展望未来，电化学合成的乙酸为连接这两个领域提供了变革性的机会，作为一种高通量的碳载体，将非生物催化的效率与微生物系统的代谢灵活性结合起来。要实现这一潜力，该领域首先必须解决材料科学中的关键问题，其中当务之急是提高乙酸的电化学效率和选择性。直接从电化学二氧化碳还原中获得高纯度的乙酸流对于降低下游纯化成本和避免副产物的抑制作用至关重要。
与这些电化学进展并行的是，工程生物学的前沿在于驯化非模式工业底盘。现有的模式生物（如
C. necator和
E. coli）往往缺乏在电化学环境中的耐受性（
6），特别是高盐度介质、反应性副产物以及从电极中渗出的金属离子。克服这些限制需要一个分阶段的策略：首先，需要高通量的微生物筛选来识别同时具备电化学耐受性和代谢多样性的候选菌株；其次，应开发全面的合成生物学工具包，以便为这些耐受性宿主定制“即插即用”的基因模块。
最终，实现净零碳、循环经济的长期愿景需要各领域的协同发展；一个碳中性的生物制造成为全球标准，将建立在电化学“硬件”和生物“软件”协同设计的协同作用之上。
