合成生物学产物比自然界更能固定空气中的二氧化碳

正在测试二氧化碳固定的新 THETA 循环的小瓶 陆地微生物学研究所/ Geisel

植物因能将空气中的二氧化碳转化为化学能而闻名，为其生长提供能量。由于大气中的二氧化碳含量已经过高，而且每天都有更多的二氧化碳被排出，难怪科学家们会转向这一自然过程，以帮助恢复大气中的二氧化碳含量，同时生产燃料和其他有用的分子。

在这项新研究中，马克斯-普朗克的科学家们开发出了一种全新的二氧化碳固定途径，其效果甚至比大自然的方法还要好。他们将其称为 THETA 循环，它使用 17 种不同的生物催化剂来产生一种名为乙酰-CoA 的分子，乙酰-CoA 是一系列生物燃料、材料和药物的关键组成部分。

该循环是围绕两种已知最快的固定二氧化碳的酶--巴豆酰-CoA 羧化酶/还原酶和磷酸烯醇丙酮酸羧化酶--构建的，这两种酶是从细菌中分离出来的。尽管这两种酶捕捉二氧化碳的速度比植物使用的主要酶快 10 倍以上，但进化似乎还没有把它们自然地配对起来。于是，科学家们改换了方法。

首先，研究小组在试管中构建了 THETA 循环，以确认其功能，即从空气中捕捉两个二氧化碳分子并将其转化为一个乙酰-CoA 分子。然后，研究人员通过几轮实验对其进行了优化，将其产量提高了 100 倍。最后，他们开始将这一循环纳入活细胞--即大肠杆菌。

目前，17 个步骤的过程对于一个细胞来说过于复杂，因此研究小组将其分成三个模块，并将这些模块整合到大肠杆菌中。结果每个模块都能如愿工作。下一步是将所有步骤合二为一，但这需要将每个步骤与大肠杆菌的自然新陈代谢同步进行。

研究小组表示，在此期间，这一里程碑仍具有重要意义，这项技术可用于指导微生物生产一系列有价值的化合物。

这项研究的第一作者罗姗姗说："循环的特别之处在于，它包含了作为细菌新陈代谢核心代谢物的几个中间产物。这种重叠为开发模块化方法提供了机会。我们的循环有可能成为一个多功能平台，通过扩展其输出分子乙酰-CoA，直接从二氧化碳中生产有价值的化合物。"

这项研究发表在《自然催化》杂志上。