综述：生物催化二氧化碳转化的进展与策略：从反应机理到人工合成系统

《Molecular Catalysis》：Advances and strategies in biocatalytic CO2 conversion: From mechanism to artificial synthetic systems

　　石洪玲|白学扬|李景肇|杨克进|谢玉丽|姚龙光|薛创|唐存铎
河南省昆虫生物反应器工程研究中心，河南国际昆虫生物学联合实验室，河南昆虫生物学重点实验室，南阳师范学院生命科学学院，中国河南省南阳市卧龙路1638号，473061

摘要
随着全球气候危机的加剧，需要创新的碳捕获与利用（CCU）策略来实现循环碳经济。本综述系统地探讨了从自然碳固定向高效人工生物催化系统的转变。首先评估了CO2激活所面临的热力学和动力学障碍，对比了天然酶的局限性以及合成生物催化剂的优越选择性。这一转变的核心是关键酶的工程改造，以及包括纳米结构固定化、生物电催化和光驱动辅因子再生在内的外部协同因素的整合。综述进一步深入研究了“自然界中前所未有”的合成循环，如人工淀粉合成途径（ASAP）、肉豆蔻酰-CoA/乙基马来酰-CoA/羟基丁酰-CoA（CETCH）和还原型TCA支路/4-羟基丁酰-CoA/乙基马来酰-CoA/乙酰-CoA（THETA）循环，这些循环能够绕过进化的权衡，合成复杂的C2+化合物，如淀粉和手性氨基酸。此外，还评估了CO2衍生物的战略性利用，作为一种实用的“碳桥梁”来缓解传质限制。最后，我们对工业实施提供了技术和经济评估，指出了辅因子经济性和规模扩展的关键瓶颈。通过将精准分子设计与跨尺度系统工程相结合，本综述为可持续的工业规模CO2转化提供了全面的路线图。

引言
由于人类活动（如化石燃料燃烧和工业过程）导致二氧化碳（CO2）在大气中的浓度不断上升，这已成为21世纪的主要环境挑战。到2026年，实现“碳中和”的全球使命推动了一场化学制造业的范式转变，从传统的线性“获取-制造-处置”模式转向循环碳经济[1,2]。在这一框架下，碳捕获与利用（CCU）技术成为可持续发展的基石。与将CO2视为需要封存的废物的碳捕获与储存（CCS）不同，CCU将这种温室气体重新想象为一种丰富、无毒且可再生的碳一（C1）原料。“第三代（3G）生物炼油厂”的概念代表了这一愿景的巅峰，利用微生物细胞工厂和酶级联反应将CO2和可再生能源转化为燃料、材料和精细化学品，从而将工业生产与农业资源和化石资源消耗脱钩[2,3]。
尽管CO2具有理论潜力，但它是一种极其难以转化的分子。从热力学角度来看，CO2处于碳循环中的最低能量状态，具有异常稳定的线性几何结构。两个C=O双键的总键能为约750 kJ/mol，因此需要大量的能量输入才能将其激活[4,5]。生物和化学系统必须克服巨大的“能量障碍”才能将CO2还原为有机化合物。例如，将CO2单电子还原为其自由基阴离子需要高达-1.90 V的电位（相对于SHE），这远远超出了大多数生物辅因子的生理范围[6]。
从动力学角度来看，CO2的转化还受到其物理性质的限制。在常温条件下，CO2在水中的溶解度很低（约33 mM），这严重限制了催化剂活性位点的局部底物浓度[7]。此外，CO2水合为碳酸氢盐（HCO3?）是一个相对缓慢的过程，除非借助碳酸酐酶（CA）等酶的加速，否则会增加依赖特定无机碳物种的系统的动力学复杂性[8,9]。这些热力学和动力学限制意味着传统化学催化剂通常需要高温和高压，导致选择性差和能耗高。

生物系统在数十亿年的进化过程中发展出了优雅的CO2固定解决方案。自然光合作用主要通过Calvin-Benson-Bassham（CBB）循环实现了地球上大部分的碳封存。然而，天然途径常常受到其核心酶（尤其是核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）固有效率低下的影响，该酶的转化速率低且与氧气反应具有竞争性[10,11]。
人工生物催化——包括工程化酶和合成代谢途径——试图超越这些自然限制。生物催化剂提供了无与伦比的区域选择性、化学选择性和立体选择性，能够直接从CO2或其衍生物生成光学纯净的化合物，如L-苹果酸、L-丙氨酸和L-甲硫氨酸[12] [13] [14]。此外，酶促反应在温和的生理条件下进行，减少了对严苛工业环境的需求。最近在“无细胞”合成生物学方面的突破使研究人员能够绕过细胞生长和调控的限制，组装出多酶级联反应，其碳产率和速度超过了天然生物[15,16]。
当前的研究工作已经成功地将CO2转化为多种产品，从简单的C1燃料到复杂的C2+代谢物。表1总结了该领域的代表性成果。
尽管实验室结果令人鼓舞，但人类对CO2的化学合成利用仍处于起步阶段，主要局限于低价值商品的生产。向高价值生物制造的转变受到几个关键瓶颈的阻碍。许多CO2还原酶（如含钨或钼的FDH）对氧化损伤非常敏感，在其天然宿主之外表现出较差的热稳定性[28,29]。依赖烟酰胺辅因子（NADH/NADPH）是主要的成本驱动因素。可持续利用需要由可再生能源电力或光驱动的原位再生系统来维持连续的催化循环[30,31]。在全细胞系统中，CO2固定的速率往往无法满足下游代谢需求，导致有毒中间体的积累或目标产物的低产量[32]。从气相CO2到水相中间体的转化仍然是许多反应器中的主要限速步骤，这需要在微环境工程和反应器设计方面进行创新[7]。
站在基于生物的工业革命的边缘，将酶工程、合成生物学和材料科学的各项进展整合为一个连贯的CO2转化策略至关重要。本综述将系统地探讨从简单C1激活到复杂C2+合成的转变。首先讨论优化关键酶（如FDH）的“内部”和“外部”设计策略。随后，我们探讨了挑战自然光合作用效率的“自然界中前所未有”的碳固定循环的构建。此外，我们研究了CO2衍生物（甲酸、甲醇）作为通往可持续生物经济的桥梁的战略性使用。最后，我们对这些技术提供了技术和经济评估，强调了它们走向工业规模实现的路径及其对全球可持续发展目标的贡献[2,33]。

章节摘录
**CO2生物转化为C1化合物：碳价值化的门户**
CO2初步还原为C1中间体（如甲酸、甲醛和甲醇）是人工碳固定中最关键和最具挑战性的阶段。这些分子是后续CC键形成和复杂有机物合成的主要构建块。然而，CO2的多电子还原受到显著的热力学和动力学障碍，需要高度专业化的生物催化剂和复杂的系统设计。

**CO2生物转化为多碳化合物：扩展化学 frontier**
从C1中间体到多碳（C2+）分子的转变代表了人工光合作用和合成生物学的关键飞跃。虽然甲酸和甲醇等简单分子是重要的桥梁，但合成从有机酸和氨基酸到淀粉和生物塑料等复杂化合物需要形成碳-碳（C-C）键，这受到复杂的热力学和动力学限制[1,2]。本节系统地评估了...

**CO2衍生物的利用策略：原理、权衡及未解决的挑战**
如前文所述，在工程化单个酶和合成代谢循环以实现直接CO2固定和C–C键形成方面取得了巨大进展。然而，气态CO2的物理和催化限制——低溶解度、热力学稳定性以及需要极端电位的电子转移——为纯生物催化过程的通量、能量效率和可扩展性设定了基本上限。

**生物催化CO2转化的技术经济可行性和工业影响**
CO2生物催化从实验室原型向工业实施的转变受到技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA）原则的指导。随着全球化学工业寻求整合“第三代（3G）生物炼油厂”，这些系统的经济可行性必须与传统石油化学和第一代生物质基工艺进行比较[2,3]。该领域的主要经济驱动因素包括成本...

**结论与展望**
CO2的生物催化转化已经从理论上的小众领域发展成为一门结合了合成生物学、电化学和材料科学的复杂研究领域。研究表明，通过“内部”酶工程和“外部”过程强化的结合，可以克服CO2激活的热力学和动力学障碍。
尽管在生物催化CO2转化方面取得了学术进展，但将这些发现转化为工业实践仍面临挑战。

**作者贡献声明**
石洪玲：撰写——初稿。白学扬：资料整理。李景肇：资料整理。杨克进：资料整理。谢玉丽：撰写——审稿与编辑。姚龙光：项目管理。薛创：监督。唐存铎：撰写——审稿与编辑。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

**致谢**
本研究得到了河南省自然科学基金项目（252300423631）、河南省高校重点科学研究项目（25B416003）以及中国国家自然科学基金对南阳师范学院培养基金（项目编号2025PY005和2025PY031）的支持。