综述：化学光合自养细菌的代谢与工程研究：用于二氧化碳固定

《Biotechnology Advances》：Metabolism and engineering of chemolithoautotrophic bacteria for carbon dioxide fixation

　　

Tasawar Abbas|Naglis Malys

生物过程研究中心，化学技术学院，考纳斯技术大学，Radvil?n?街19号，考纳斯，LT-50254，立陶宛

摘要

化能自养细菌是一类多样的微生物，它们能够以二氧化碳（CO₂）作为唯一的碳源，并从涉及氢、硫或铁等无机化合物的氧化还原反应中获取生长和代谢所需的能量。由于这些微生物同时具备作为二氧化碳吸收器的生物潜力（从而减少温室气体积累）以及作为可持续生物合成高附加值化合物的微生物平台的潜力，因此引起了科学的广泛关注。它们的天然二氧化碳固定途径包括Calvin–Benson–Bassham循环、还原性三羧酸循环、Wood–Ljungdahl途径、3-羟基丙酸酯生物循环和还原性甘氨酸途径，这些途径构成了它们碳同化的生物学基础。然而，这些天然途径的效率往往有限，限制了它们的广泛应用。本综述讨论了化能自养细菌中二氧化碳固定网络的优化和重新设计的最新进展和机遇，并探讨了设计新型、高效率二氧化碳固定途径的方法，这些途径在减少温室气体排放方面具有重大潜力。此外，该综述还评估了碳固定网络中的能量产生和利用情况，以及优化代谢途径中的能量和氧化还原平衡的新策略。最后，它强调了将化能自养细菌发展为微生物细胞工厂的前沿，使其能够将碳捕获与可持续生物制造相结合，从而将这类微生物置于下一代气候和生物工程解决方案的最前沿。

引言

化能自养细菌通过氧化氢、还原态硫或亚铁等无机化合物来获取能量，并固定无机碳（主要是二氧化碳（CO₂），以合成细胞生物量和代谢产物。“化能自养”这一术语指的是利用化学物质作为能量来源（“chemo”意为“化学”）、无机化合物作为电子供体（“litho”意为“岩石”），并且能够从二氧化碳等无机物质中合成自身有机化合物（“autotroph”意为“自养”）的生物体。在这些生物体中，来自无机供体的电子通过节能的电子传递链进行传递，产生用于碳还原的还原力和ATP。与光能自养生物不同，化能自养细菌使用的单碳（C1）化合物固定途径可以在无光条件下运作。因此，在光照条件极差且有机碳输入量低的生态系统中，化能自养细菌通常是主要的初级生产者（Correa等人，2023年）。尽管如此，许多化能自养细菌表现出代谢可塑性，在存在有机底物的情况下会采用异养生长模式，通过二氧化碳固定和有机碳吸收来增强自身适应性（Alagesan等人，2018b；Taubert等人，2022年）。它们可以根据底物的可用性在异养或自养模式之间切换（Engel，2019年；Nakagawa和Takai，2008年；Teske，2009年）。

随着大气中二氧化碳浓度的上升（从工业革命前的大约280 ppm上升到目前的约427 ppm，并预计到2100年将超过570 ppm（Tocco等人，2021年；Filonchyk等人，2024年），化能自养细菌的主要基于二氧化碳同化的自养生长模式再次受到关注。这可能导致到2100年气候变暖3至5°C。由于二氧化碳约占温室气体总排放量的68%（Zhou等人，2017年），其积累是当代气候变化的主要驱动因素。因此，逆转或缓解这一趋势对于维持地球生物圈的稳定性至关重要。向基于循环经济的碳基经济转型不仅有助于保护宝贵的自然资源，还能捕获大气中的二氧化碳并将其转化为经济产品（Velenturf和Purnell，2021年）。鉴于化能自养细菌天然的二氧化碳同化能力，它们成为二氧化碳捕获和转化技术方面的有前景的生物平台。这些微生物在深海热液喷口附近氧化无机底物（如H₂、NH₃、H₂S或Fe²⁺）时，产生固定二氧化碳为有机化合物所需的还原力和能量，从而成为无光生态系统中碳循环的关键组成部分。通过先进的代谢工程和合成生物学方法利用和提升它们的天然代谢潜力，为实现气候缓解和碳循环中的燃料及化学品的生物基生产提供了可持续的途径。

本综述全面概述了目前已知的所有化能自养细菌中的天然和合成二氧化碳固定途径。它讨论了这些途径的生化机制、能量需求和调控特征，以及旨在提高其碳同化效率的代谢途径工程最新进展。特别强调了诸如malyl CoA甘油酸（MCG）途径、crotonyl-CoA/ethylmalonyl-CoA/hydroxybutyryl-CoA（CETCH）循环、合成还原性甘氨酸途径等先进合成途径，这些途径旨在克服天然系统的局限性。最后，我们分析了合成生物学和系统生物学技术在开发先进二氧化碳固定平台方面的作用。

章节片段

化能自养细菌中的二氧化碳固定及其工程

化能自养细菌具有将二氧化碳固定为有机物质的天然潜力，这不仅可以降低大气中的二氧化碳浓度，还能经济高效地生产有价值的有机物质。化能自养细菌进化出了五种二氧化碳固定代谢途径，包括还原性戊糖磷酸途径（Calvin-Benson-Bassham循环）和还原性三羧酸循环（rTCA）等。

化能自养细菌在二氧化碳固定工程中的挑战与前景

化能自养细菌因其能够将二氧化碳（主要的人为温室气体）同化为多种高附加值化合物（如生物燃料、化学品、材料、食品成分和饲料添加剂）而成为非常有前景的二氧化碳固定和可持续生物生产的平台。它们依赖作为丰富、免费且取之不尽的碳源的二氧化碳，这增强了它们的商业价值，同时解决了相关问题。

结论

化能自养细菌是一类利用无机化合物氧化产生的能量来固定二氧化碳的自养微生物。它们的代谢多样性和二氧化碳同化能力受到了越来越多的关注，尤其是在大气中二氧化碳浓度不断上升、持续推动全球气候变化的背景下。过去几十年的合成生物学和系统生物学研究已经识别并描述了五种...

所有作者声明不存在利益冲突。

本工作得到了立陶宛研究委员会（LMTLT）的资助（协议编号：S-MIP-24-48，资助对象为NM）。