自然界本身就具有二氧化碳的生物轉化利用能力。目前，在好氧和厭氧生物中已經發現了六種天然的生物固碳途徑，包括廣泛存在於植物和藻類中的卡爾文迴圈（光合作用中的暗反應即固碳反應）在內。

然而，這些天然固碳途徑的步驟較長（大多包含十幾步生化反應），即便在微生物中實現這些天然固碳途徑的異源重構，由於並沒有改變固碳途徑的基本結構，仍然不能實現二氧化碳的快速高效生物轉化。

一般情況下，反應步驟越多，效率就越低。為了進一步縮短生物固碳途徑的反應步驟，提高固碳效率，中國科學院微生物研究所李寅研究員課題組基於生化反應熱力學和動力學計算，歷時五年設計出目前最小化的、僅有四步反應的人工固碳迴圈。

目前，這項研究成果已於去年 12 月 28 日以 “A Minimized Synthetic Carbon Fixation Cycle” 為題發表在 ACS Catalysis 上。這項研究不僅為二氧化碳的人工生物轉化開闢了全新途徑，同時也為探索地球早期生物如何進行二氧化碳固定提供了新的模型。

圖｜發表的論文（來源：ACS Catalysis）

酶和能量是縮短固碳迴圈的關鍵

所謂固碳，就是把無機碳轉化成有機碳，固碳的過程本質上是一個氧化還原反應。“由於二氧化碳中的碳處於比較高的價態（+4 價），而有機碳中的碳處於比較低的價態，因此，需要較大的還原力，才能推動這個反應發生。” 論文第一作者、中國科學院微生物研究所肖璐博士告訴生輝。

2014 年，肖璐在湖南大學本科畢業後被保送中科院微生物所讀直博，博士期間她主攻酶工程和合成生物固碳方向。去年年底，她博士畢業，接下來將繼續在合成生物學領域進行博士後研究工作。

圖｜肖璐博士所在的李寅研究員課題組（來源：受訪者）

“在 POAP 迴圈中，我們使用的是丙酮酸合酶。” 她表示。一般情況下，丙酮酸合酶（PFOR）催化的是丙酮酸氧化脫羧，是一個釋放二氧化碳的反應。“若想在 POAP 迴圈中利用丙酮酸合酶固碳，需要將丙酮酸氧化脫羧反應逆轉，催化乙醯輔酶 A 還原羧化生成丙酮酸。但這個反應需要較高的還原力推動，我們採用的方式為在厭氧條件下利用低電勢的電子供體提供足夠的還原力來驅動反應。”

據介紹，肖璐在研究期間，透過測試一系列低電勢的電子供體鐵氧還蛋白（Fd），發現來源於嗜熱氫桿菌的 Fd2 對丙酮酸合酶的還原羧化反應具有較強的推動作用，以 Fd2 作為電子供體，可以驅動熱纖梭菌來源的丙酮酸合酶實現乙醯輔酶 A 的還原羧化。

圖｜POAP 迴圈（來源：論文）

如上圖所示，POAP 迴圈的四步反應分別由丙酮酸羧化酶（PYC）、草醯乙酸乙醯基水解酶（OAH）、乙酸 - CoA 連線酶（ACS）、丙酮酸合酶（PFOR）分別進行催化，這四種酶的首字母組成了 “POAP”，這就是 POAP 迴圈名稱的由來。

在這四步反應中，由丙酮酸合酶和丙酮酸羧化酶催化的這兩步反應均為固碳反應。POAP 迴圈每執行一輪，可以轉化兩分子二氧化碳生成一分子草酸，消耗兩分子 ATP 和一分子還原力。據瞭解，POAP 迴圈可以在無氧環境和較高溫度（50°C）下實現二氧化碳固定，試驗測得 POAP 迴圈的固碳速率為 8.0±1.8 nmol CO₂/min/mg 酶，總轉換數為 5 mol 草酸 /mol 酶。

相較於傳統工業固碳的實現條件極為苛刻（比如需要高溫高壓），生物固碳的實現條件則要 “溫和” 得多。“但隨之而來的代價是步驟非常多，需要一步一步地進行還原。所以，想要縮短生物固碳途徑，就意味著一步反應需要實現長固碳途徑中多步反應的功能。” 肖璐指出。

據介紹，想要設計出更短的人工固碳迴圈，首先需要找到合適的酶；其次，固碳途徑 “長步驟” 是按部就班地進行一步步反應（逐漸吸收能量），而變為 “短步驟”，則需要更高的能量來進行驅動。所以，“酶” 和 “能量” 是縮短固碳迴圈的兩個關鍵點。

除此之外，丙酮酸合酶屬於厭氧酶，其在大腸桿菌中異源表達、組裝、純化也比較困難。“我們做了很多表達純化的條件最佳化，最後選擇了嗜熱菌來源的丙酮酸合酶，因為其反應溫度比較高，使得這個反應更容易發生。” 肖璐說道，“然後又嘗試了很多天然和人工合成的電子供體，找到了比較適合的電子供體來推動這個反應的發生。最終，實現了將原來十幾步反應縮短為四步。” 她補充道。

理論層面，構成一個最小固碳迴圈需要三步反應，而 POAP 迴圈只含有四步反應，接近理論最小值，也是目前經過實驗證實的最小化的人工固碳迴圈。“縮短人工固碳途徑不但能夠提高固碳速率，同時還使得固碳過程更為簡單，所採用的酶種類更少，反應的條件也更容易匹配。” 肖璐指出。

談及下一步的研究方向，肖璐表示，大的方向依然還是針對固碳領域，細分的方向，比如設計和構建新的固碳迴圈，以及運用合成生物學的手段對酶進行基因改造，對酶的結構進行解析，然後進行最佳化、改造和篩選等。

人工固碳迴圈效率已超過天然途徑

在肖璐看來，全球層面人工固碳研究中，有兩大具有代表性的里程碑事件：CETCH 迴圈和 ASAP 途徑。

2016 年，德國馬普陸地微生物研究所在 Science 雜誌上報道了一種自然界中不存在的全新固碳途徑 ——CETCH 迴圈，這是第一條人工合成的固碳途徑，同時也是已知六條天然固碳途徑之外的第七條固碳途徑。

圖｜CETCH 迴圈（來源：Science）

據瞭解，CETCH 迴圈以巴豆烯醯輔酶 A 羧化酶作為途徑設計的起點，經過 12 步生化反應，最終產物為乙醛酸。相較於其他天然好氧固碳途徑而言，CETCH 迴圈的步驟更短、能效更高，固碳的效率比卡爾文迴圈高出 20%，是生物固碳領域的一個突破，這項研究意味著採用源於自然的固碳元件也有可能創造出超越自然的非天然固碳途徑。

“當時也正是 POAP 迴圈進行最初設計和定形的階段，CETCH 迴圈的出現讓我們覺得人工固碳很有意義，堅定了繼續做下去的信念。” 肖璐表示。

另外一個是由中國科學院天津工業生物技術研究所設計的人工合成澱粉途徑 ——ASAP（The artificial starch anabolic pathway）。目前，澱粉主要由玉米等農作物透過光合作用固定二氧化碳進行合成，其中涉及 60 餘步生化反應以及複雜的生理調控，其理論能量轉化效率僅為 2% 左右。

ASAP 途徑是從頭設計出的一條包含 11 步反應的人工合成新途徑，利用無機催化劑將氫氣與二氧化碳轉化為甲醇，透過蛋白質與模組工程構建多步的體外生物酶催化體系並最終合成澱粉。資料顯示，ASAP 途徑的澱粉合成速率是玉米澱粉合成速率的 8.5 倍，理論能量轉化效率是玉米澱粉的 3.5 倍。

圖｜ASAP 途徑（來源：Science）

ASAP 途徑的設計成功意味著未來可以像工業釀造啤酒一樣在車間生產澱粉，而不再需要種植玉米等農作物，這將顛覆傳統農業，節省超過 90% 的土地和淡水資源，以及肥料、農藥等農業生產資料。

談及人工固碳的產業層面，肖璐表示，現階段，國內外單純地利用生物固碳途徑的產業尚未形成。“在我看來，人工固碳途徑的研究還處於起步階段，距離產業化還有很長的路要走。” 肖璐表示。“我們設計的 POAP 迴圈的固碳速率是目前研究領域比較高的，但整體來看依然處於比較低的水平，而且通量也很低，現階段還處於基礎研究階段。” 她補充到。

據介紹， 國外與固碳相關的產業，大部分都是利用微生物將工業廢氣 / 尾氣轉化為生物能源。目前，全球範圍已有數家公司實現了基於二氧化碳的商業化生物製造。例如，美國生物技術企業 Algenol 和 LanzaTech 分別利用微藻和梭菌將二氧化碳和一氧化碳轉化為生物燃料。

能量供應將是生物固碳的競爭點

近一個世紀以來，化石資源被大量開採和使用，同時以二氧化碳為代表的溫室氣體排放不斷加劇環境汙染，各國政府也在相繼開發二氧化碳捕獲和利用技術進行 “固碳”，以期早日實現 “碳中和”。

“除了加速‘碳中和’的實現，研究生物固碳還將對化工產業、糧食產業等產生積極地影響。” 肖璐表示。

圖｜生物固碳對於環境保護意義重大（來源：Pixabay）

比如，很多化學品都是以石油為源頭開始加工的，製造過程中汙染環境，還會過度消耗石油等不可再生資源。若透過生物固碳途徑，透過固定二氧化碳合成有機物進而製造化學品，不僅可以對二氧化碳進行吸收固定，而且還能生產高值有機物。透過生物固碳合成化學品，在未來或許成為生產化學品的重要方向。

再比如，農作物透過光合作用合成澱粉，效率低、週期長、佔用土地、耗費資源等。ASAP 途徑透過二氧化碳來合成澱粉，一旦發展成熟，未來可以使澱粉的生產走出農業路線。

相較於傳統的工業固碳，如何設計和建立高效的生物固碳途徑成為全球各國的研究熱點。透過生物固碳將二氧化碳進行吸收並轉化為化合物，不僅助於環保，而且緩解化石資源消耗，同時還能提供高價值化學品，可謂一舉多得。

生物固碳分為 “途徑” 和 “能量” 兩個層面，諸如固碳迴圈、固碳酶屬於途徑層面，而利用氫氣中的能量、利用電化學電能等來驅動生化反應，則屬於能量層面。

如今，伴隨著生物固碳途徑設計重構取得了很多進展，解決 “能量供給” 這一限制生物固碳效率因素的緊迫性日益突出。接下來，圍繞能量供給方面的最佳化升級，比如大幅提高固碳過程中對光能的利用率或實現電能的直接利用等，將會是生物固碳領域的競爭焦點。