任杰，曾安平

（1 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所，植物病蟲(chóng)害生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193；2 德國(guó)漢堡工業(yè)大學(xué)，生物過(guò)程與系統(tǒng)工程研究所，德國(guó) 漢堡 D-21073）

本世紀(jì)人類(lèi)面臨的最大挑戰(zhàn)之一是能源轉(zhuǎn)型和氣候變化，這兩者都與二氧化碳（CO2）的排放和利用息息相關(guān)。迫于大眾對(duì)頻繁極端氣候的高度關(guān)注和強(qiáng)大輿論壓力，世界各主要工業(yè)國(guó)家都紛紛公布甚至提前原定碳達(dá)峰和碳中和的時(shí)間點(diǎn)。尤其是中國(guó)最近在這方面的重大舉措，提出力爭(zhēng)于2030 年前達(dá)到CO2排放峰值，并在2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和，使得CO2的減排、捕捉和利用成為各領(lǐng)域的重大課題和迫切任務(wù)。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，需要工業(yè)技術(shù)和國(guó)家相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策的根本性變革，使能源系統(tǒng)從化石能源轉(zhuǎn)化為以可再生能源為主，制造業(yè)從不可再生碳資源轉(zhuǎn)化為以可再生碳資源為主，基于CO2的生物制造從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)講是實(shí)現(xiàn)這兩大目標(biāo)的最佳途徑。

基于CO2的生物制造在文獻(xiàn)中也常被稱(chēng)為第三代生物煉制技術(shù)，以區(qū)別于主要以淀粉及其他含糖物質(zhì)為原料的第一代生物煉制技術(shù)和以木質(zhì)纖維素等生物質(zhì)為原料的第二代生物煉制技術(shù)，其特征是利用微生物及藻類(lèi)細(xì)胞工廠在光或電等可再生能源的驅(qū)動(dòng)下將CO2等碳一化合物轉(zhuǎn)化為生物能源、化學(xué)品及材料等。生物制造原則上具有易于大規(guī)模生產(chǎn)、條件溫和、選擇性好、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，符合綠色生態(tài)的理念，近年來(lái)基于CO2的生物制造尤其受到廣泛的重視。北京化工大學(xué)譚天偉教授課題組和Jens Nielsen 教授課題組（瑞典/丹麥）合作撰寫(xiě)發(fā)表在Nature Catalysis的綜述文章“Third-generation biorefineries as the means to produce fuels and chemicals from CO2”（Liu et al，2020）［1］總結(jié)了多年來(lái)生物法固定CO2的研究，從原料、固碳途徑、能量利用和產(chǎn)品四個(gè)大方面系統(tǒng)地介紹了以CO2為基礎(chǔ)原料的第三代生物煉制。這篇綜述文章內(nèi)容詳實(shí)豐富，不但對(duì)大量相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了梳理，指出了CO2基生物制造的難點(diǎn)與重點(diǎn)，并提出了有益的建議和展望。本文簡(jiǎn)要介紹這篇綜述文章，并結(jié)合自己的相關(guān)研究從基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用的角度提出一些看法和建議，意在拋磚引玉。

Liu 等指出，CO2的人為排放量每年高達(dá)330 億噸，其來(lái)源十分廣泛，如工業(yè)生產(chǎn)廢氣、垃圾填埋廢氣、生物質(zhì)氣化、車(chē)輛及呼吸排放等。不同來(lái)源的CO2含有不同的雜質(zhì)，如氮氧化物和硫氧化物，宿主微生物細(xì)胞對(duì)于雜質(zhì)的耐受將是影響生物煉制的重要因素之一。又比如，工業(yè)煙道氣的溫度與生物發(fā)酵的溫度相差極大，對(duì)煙道氣進(jìn)行冷卻將付出成本，溫度耐受也將是考驗(yàn)宿主微生物的指標(biāo)之一。筆者認(rèn)為，如何綜合利用高溫氣體的能量為生物合成提供能量甚至作為下游產(chǎn)品回收的能量，值得進(jìn)一步探索，比如利用溫度使CO2與某物質(zhì)反應(yīng)生成活性物質(zhì)參與生物合成并循環(huán)利用。理論上，CO2可以和環(huán)氧化物在高溫下反應(yīng)生成環(huán)碳酸酯，若能通過(guò)生物或化學(xué)反應(yīng)使其循環(huán)利用，則可以起到降低CO2活化能的效果。此外，可考慮生物法和物理法相結(jié)合，物理法中CO2的標(biāo)準(zhǔn)化前處理會(huì)提升生物合成的穩(wěn)定性，而且利用CO2壓縮氣建立高壓CO2生物反應(yīng)器將有利于相關(guān)的酶反應(yīng)平衡向合成方向移動(dòng)。

固碳途徑方面，Liu等的文章對(duì)8條已知CO2生物固碳途徑（圖1）進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和闡述，包括6 條天然固碳途徑，即卡爾文循環(huán)（Calvin-Benson-Bassham cycle，CBB cycle）、Wood-Ljungdahl途徑（亦稱(chēng)為還原乙酰輔酶A 途徑，reductive acetyl-CoA pathway）、二羧酸/4-羥基丁酸循環(huán)［dicarboxylate/4-hydroxybutyrate（DC/HB）cycle］、3-羥基丙酸/4-羥基丁酸循環(huán)［3-hydroxypropionate/4-hydroxybutyrate（HP/HB） cycle］、3-羥基丙酸雙循環(huán)（3-HP bicycle）和還原三羧酸（TCA）途徑（reductive TCA cycle），以及2條人工設(shè)計(jì)并已經(jīng)證實(shí)的固碳途徑，即還原甘氨酸途徑（reductive glycine pathway，rGlyP）和巴豆酰輔酶A/乙基丙二酰輔酶A/羥基丁酰輔酶 A 循環(huán)［crotonyl-coenzyme A（CoA）/ethylmalonyl-CoA/hydroxybutyryl-CoA，CETCH cycle］。卡爾文循環(huán)是植物及藻類(lèi)固定二氧化碳的天然途徑，其關(guān)鍵酶為D-核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶/加氧酶（D-ribulose-1，5-bisphosphate carboxylase/oxygenase，RubisCO），該酶的催化效率非常低下，每分鐘僅可催化幾個(gè)分子反應(yīng)，而多年來(lái)對(duì)于該酶的改造一直都沒(méi)有很好的成功案例。二羧酸/4-羥基丁酸循環(huán)、3-羥基丙酸/4-羥基丁酸循環(huán)和3-羥基丙酸雙循環(huán)天然存在于一些自養(yǎng)微生物中，通過(guò)焦磷酸硫胺素（ThDP）活化后的羰基碳或是活潑的羰基α-碳作為受體固定CO2，裂解出乙酰輔酶A 或丙酮酸為溢出產(chǎn)物，這些天然途徑中固碳反應(yīng)的能量消耗都比較高，難以實(shí)際應(yīng)用。還原三羧酸途徑可以看作是三羧酸循環(huán)的逆向反應(yīng)，可以固定2分子二氧化碳溢出1 分子乙酰輔酶A，這一途徑可以被高壓二氧化碳驅(qū)動(dòng)，有望成為后續(xù)研究的重點(diǎn)之一。文章還介紹了3 條理論設(shè)計(jì)的CO2固碳途徑，如丙二酰CoA-草酰乙酸-乙醛酸（MOG）途徑等，通過(guò)兩步固碳反應(yīng)最終溢出產(chǎn)物為乙醛酸；盡管從反應(yīng)步數(shù)和理論能量利用效率上優(yōu)于上述的天然途徑，然而途徑中從輔酶A 到丙酮酸的固碳反應(yīng)仍有較高的能量壁壘，是否可以高效地完成反應(yīng)仍需實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。與此相比較，CETCH 循環(huán)在人工設(shè)計(jì)時(shí)避開(kāi)了輔酶A 固定CO2的反應(yīng)，利用了如巴豆酰輔酶A 羧化/還原酶固定CO2消耗的NADH 來(lái)降低能量壁壘，使得多步級(jí)聯(lián)反應(yīng)可以順利在體外完成，不過(guò)其體內(nèi)可行性尚待進(jìn)一步證實(shí)。與上述通過(guò)循環(huán)反應(yīng)固定CO2不同，Wood-Ljungdahl 途徑和還原甘氨酸途徑是通過(guò)線(xiàn)性反應(yīng)固定二氧化碳的，其對(duì)中心代謝的依賴(lài)或?qū)ζ涞母蓴_較小，我們認(rèn)為從實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用所需的高通量角度考慮，這可能是這兩條途徑的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)?？傮w而言，目前關(guān)于二氧化碳固定反應(yīng)與代謝網(wǎng)絡(luò)相互作用的研究還很有限，對(duì)于其相互作用網(wǎng)絡(luò)（包括調(diào)控網(wǎng)絡(luò)）的重構(gòu)及系統(tǒng)定量分析具有重要的科學(xué)研究?jī)r(jià)值，值得關(guān)注。

Liu 等的文章分析了各條途徑的優(yōu)缺點(diǎn)、能量來(lái)源、底物以及產(chǎn)物、關(guān)鍵酶的種類(lèi)以及酶活等。文章特別指出，固碳途徑實(shí)際應(yīng)用中的關(guān)鍵性因素為氧氣敏感性、ATP需求、熱力學(xué)、酶動(dòng)力學(xué)和CO2利用形式。氧氣敏感性與ATP 需求掛鉤并與后續(xù)產(chǎn)物需求密切相關(guān)，熱力學(xué)與胞內(nèi)NAD（P）H/NAD（P）的比例相聯(lián)系，酶動(dòng)力學(xué)決定著細(xì)胞生長(zhǎng)的速度，受體是與CO2本身還是其碳酸氫根形式結(jié)合影響固碳的效率和條件優(yōu)化。筆者認(rèn)為，不同固碳途徑主要差異之一在于對(duì)ATP 的利用效率，二氧化碳被固定后往往得到一個(gè)羧基，而對(duì)羧基的活化及后續(xù)官能團(tuán)的轉(zhuǎn)化往往都需要消耗ATP。Wood-Ljungdahl 途徑、還原TCA 途徑、還原甘氨酸途徑和CETCH 循環(huán)消耗能量比較少，而卡爾文循環(huán)、DC/HB 循環(huán)、HP/HB 循環(huán)和3-HP 雙循環(huán)都額外消耗了較多的ATP（圖1）。如何避免ATP 的消耗是構(gòu)建高效固碳途徑的重要因素之一，因此對(duì)固碳途徑有必要進(jìn)行更深入、更基礎(chǔ)的研究，如核心固碳酶對(duì)小分子結(jié)合及轉(zhuǎn)運(yùn)的作用機(jī)制，這是提高固碳效率及構(gòu)建新型途徑的關(guān)鍵問(wèn)題。固碳反應(yīng)的化學(xué)本質(zhì)是親核進(jìn)攻反應(yīng)，親核基團(tuán)攜帶電子進(jìn)攻CO2中顯電正性的碳原子，形成羧酸或其衍生物。由于CO2中的碳原子已經(jīng)處于八隅體的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的動(dòng)力學(xué)惰性，因此親核進(jìn)攻需要克服較高的活化能才能完成，這就需要親核試劑本身處于較為活潑的高能態(tài)且通過(guò)酶與底物的結(jié)合降低活化能，因而固碳酶往往都有精細(xì)而獨(dú)特的作用機(jī)制。

以還原甘氨酸途徑為例，其核心固碳酶是甘氨酸裂解體系（glycine cleavage system， GCS），其可以逆向利用CO2、5，10-亞甲基四氫葉酸和氨（NH3）合成甘氨酸，同時(shí)固定2 分子一碳化合物（CO2和甲酸）和1 分子氨（圖1）。甘氨酸裂解體系是由三個(gè)酶（P 蛋白、T 蛋白、L 蛋白）和一個(gè)載體H蛋白組成的多酶復(fù)合體，通過(guò)載體H蛋白上硫辛酰賴(lài)氨酸臂作為活性親核基團(tuán)，接受并轉(zhuǎn)移CO2

［2］。還原甘氨酸途徑為被認(rèn)為是固碳途徑中最具優(yōu)勢(shì)的途徑之一，反應(yīng)步驟較少，ATP 需求較低，途徑中的酶對(duì)氧氣的耐受性比較好，對(duì)中心代謝干擾小，有較好的工業(yè)應(yīng)用潛力。最近還原甘氨酸途徑在E. coli［3-6］、Saccharomyces cerevisiae［7］、Clostridium drakei［8］等微生物中獲得成功表達(dá)，使得宿主細(xì)胞可以利用甲酸和CO2合成有機(jī)酸及氨基酸等初級(jí)代謝產(chǎn)物。但是，若單純以甲酸和CO2作為碳源的話(huà)，細(xì)胞生長(zhǎng)非常緩慢，難以達(dá)到對(duì)工業(yè)微生物宿主的要求［9］。其中一個(gè)主要的原因是對(duì)固碳核心機(jī)制的理解還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足：甘氨酸裂解系統(tǒng)中各組分蛋白間的相互作用關(guān)系、硫辛酰化載體H 蛋白的三種形態(tài)（Hox、Hred、Hint）以及其自我保護(hù)與解除保護(hù)、硫辛酰賴(lài)氨酸臂的合成以及攜帶碳一單位移動(dòng)的方式（代謝通道）、影響因素，都缺乏系統(tǒng)定量的分析，阻礙了對(duì)GCS 進(jìn)行工程化的研究和優(yōu)化，遑論以合成生物學(xué)手段對(duì)其進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和改造。最近，我們對(duì)H 蛋白的自我保護(hù)與解除保護(hù)過(guò)程進(jìn)行了分子動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)模擬，從原子水平揭示了T 蛋白誘導(dǎo)Hint解除保護(hù)的過(guò)程，找到了氨甲基在釋放過(guò)程中歷經(jīng)的幾個(gè)階段所對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵氨基酸殘基位點(diǎn)，其突變可以明顯提高或降低GCS體系的活力，為rGlyP的合理調(diào)控提供了定量的理論基礎(chǔ)［10］。文獻(xiàn)中對(duì)于Wood-Ljungdahl途徑的研究已經(jīng)有很多報(bào)道，但其中一氧化碳（CO）的結(jié)合及一眾輔酶A 依賴(lài)的固碳途徑中CO2的結(jié)合同樣有待于更深入的定量研究。對(duì)其他途徑的研究，情況也大體如此。這些生物固碳途徑在異源微生物尤其是工業(yè)微生物中的表達(dá)和應(yīng)用于生物合成，還處于研究的起步階段，已顯示其困難性和局限性，需要綜合結(jié)構(gòu)生物學(xué)、計(jì)算生物學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)、生物化學(xué)及代謝分析等進(jìn)行合成生物學(xué)多學(xué)科交叉研究。此外，基于原有CO2固定反應(yīng)的新型代謝途徑改造，也非常具有科學(xué)研究和實(shí)用價(jià)值。如Bouzon等［11］向高絲氨酸代謝途徑引入了外源的轉(zhuǎn)氨酶和醛縮酶，使之可以裂解成丙酮酸和甲醛，實(shí)現(xiàn)一種新的一碳代謝循環(huán)，CO2固定與一碳代謝的相互作用關(guān)系也是未來(lái)研究值得關(guān)注的重點(diǎn)之一。

近日，Science雜志在線(xiàn)刊登了中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所名為“Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide”的文章［12］。馬延和研究員帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)6 年的努力，終于在體外利用CO2通過(guò)化學(xué)-酶級(jí)聯(lián)轉(zhuǎn)換的方式成功合成了淀粉，其效率在特定的條件下可以達(dá)到植物天然合成淀粉的8.5 倍。這一開(kāi)創(chuàng)性的工作為未來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)土化的糧食生產(chǎn)提供了理論上的依據(jù)，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和潛在的巨大社會(huì)意義。該工作構(gòu)建了4 個(gè)級(jí)聯(lián)轉(zhuǎn)換模塊，分別是CO2到甲醛的C1活化模塊，甲醛到3-磷酸甘油醛的C3縮合轉(zhuǎn)化模塊，3-磷酸甘油醛到6-磷酸葡萄糖的C6模塊以及最后的聚合合成淀粉的Cn模塊。其固碳的過(guò)程為CO2和氫氣在金屬催化劑的作用下合成甲醇，甲醇經(jīng)酶催化氧化得到甲醛，3 分子甲醛在甲醛裂合酶（formolase，fls）的作用下直接縮合成三碳化合物。催化甲醛縮合的fls 是2015 年由美國(guó)科學(xué)家通過(guò)計(jì)算機(jī)理性設(shè)計(jì)由苯甲醛縮合酶改造而來(lái)［13］，因其能夠直接縮合3 分子甲醛而備受關(guān)注，但其活力一直很低，導(dǎo)致甲醛積累產(chǎn)生毒性，嚴(yán)重限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。馬延和團(tuán)隊(duì)對(duì)fls進(jìn)行了成功的改造，使其活力提高了4.7 倍，大大降低了甲醛的積累，提高了合成通量，突破了C1合成的關(guān)鍵瓶頸?？梢灶A(yù)期的是，以該工作構(gòu)建的合成模塊為基礎(chǔ)，理論上將會(huì)有更多的化合物可以從CO2合成而來(lái)，大大推進(jìn)C1生物合成的發(fā)展。在欣喜實(shí)現(xiàn)從0 到1 突破的同時(shí)，我們還應(yīng)該看到未來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化（1 到100）過(guò)程中的困難和挑戰(zhàn)所在。高達(dá)14 個(gè)酶（包括輔因子及副產(chǎn)物循環(huán)）參與的多酶體系體外大規(guī)模生物合成面臨著許多難題，如現(xiàn)有途徑中能量ATP 的供給來(lái)源于多聚磷酸，大規(guī)模多聚磷酸再生循環(huán)利用還不成熟；酶的用量、穩(wěn)定性及成本控制，工業(yè)化C1合成反應(yīng)器，產(chǎn)品分離提純，都是產(chǎn)業(yè)化需要解決的難題。

能量利用方面，由于CO2是能源化合物燃燒和氧化代謝的最終產(chǎn)物，其能量是最低的，利用CO2就必須引入外部能源（圖2）。Liu 等的文章討論了依據(jù)能量來(lái)源的三類(lèi)固碳方式：光自養(yǎng)合成、化學(xué)自養(yǎng)合成及電自養(yǎng)合成。光自養(yǎng)合成主要存在于植物、藻類(lèi)及綠硫細(xì)菌等，通過(guò)卡爾文循環(huán)、3-羥基丙酸雙循環(huán)和還原TCA 途徑等途徑利用不同能量和數(shù)量的光子。近年來(lái)，光自養(yǎng)合成被移植到模式微生物如大腸桿菌或酵母中，但仍處于起步階段。光自養(yǎng)合成的主要限制因素在于光能的收集效率較低和微生物生長(zhǎng)對(duì)于光密度的要求較高?；瘜W(xué)自養(yǎng)合成主要是宿主微生物可以利用給電子的化學(xué)物質(zhì)來(lái)獲得能量，如氫氣、CO、甲酸及金屬礦物質(zhì)等，筆者認(rèn)為，還原性的金屬礦物質(zhì)雖然可以作為能量供體，但來(lái)源范圍相對(duì)較窄，和CO2的大規(guī)模利用不相符。電自養(yǎng)合成則是利用電能直接或間接給宿主細(xì)胞提供能量，其中間接方式與化學(xué)自養(yǎng)合成相近，利用電能將CO2通過(guò)電化學(xué)還原為CO 或甲酸再被細(xì)胞利用。筆者認(rèn)為，隨著光伏電池在世界范圍內(nèi)尤其是我國(guó)的迅速發(fā)展，通過(guò)光伏電池將光能轉(zhuǎn)化為電能，之后再進(jìn)行直接或間接的電自養(yǎng)合成，其整體的能量利用效率是有可能高于傳統(tǒng)的光自養(yǎng)合成的［14］，利用氫氣、CO、甲酸同時(shí)作為碳源和能源進(jìn)行生物發(fā)酵有很大應(yīng)用潛力，這也是Wood-Ljungdahl途徑和還原甘氨酸途徑的優(yōu)勢(shì)點(diǎn)之一。目前直接利用電能進(jìn)行生物合成雖然受到很大關(guān)注，但其效率極低，機(jī)理還不清楚，文獻(xiàn)報(bào)道的微生物如巴氏梭菌（Clostridium pasteurianum）直接從電極獲得電子進(jìn)行生物合成并無(wú)直接證據(jù)，很有可能是通過(guò)電極表面的電子傳遞中間體如氫氣而造成的假象［15］。從已有文獻(xiàn)看來(lái)，間接性通過(guò)氫氣和甲酸可能是更為現(xiàn)實(shí)的電化學(xué)CO2生物利用途徑，尤其甲酸可能是在有氧條件下更具有吸引力的能量載體。文章指出了電自養(yǎng)合成的關(guān)鍵影響因素，包括宿主的選擇、能量載體的溶解度和傳質(zhì)速率、電解槽中CO2的濃度以及電極和微生物的兼容性。筆者認(rèn)為，在進(jìn)一步的研究中，解析電親核宿主的電子轉(zhuǎn)移機(jī)制及電親核宿主作為模式底盤(pán)細(xì)胞的工程化研究尤其值得關(guān)注。與光能比較，電可以達(dá)到更高的能量密度，用光能發(fā)電再用電能發(fā)酵是有效提高能量密度的策略。此外，電能還可以轉(zhuǎn)化自風(fēng)能和核能，我國(guó)特色的特高壓輸電解決了電能的轉(zhuǎn)移問(wèn)題，使得電可以作為標(biāo)準(zhǔn)高效原料參與固碳途徑。

圖2 基于CO2的生物制造：從“概念驗(yàn)證”到規(guī)?；I(yè)應(yīng)用Fig.2 CO2-based biomanufacturing:from proof-of-concept to large-scale industrial applications

從現(xiàn)實(shí)的工業(yè)應(yīng)用角度看來(lái)，要解決單純自養(yǎng)合成中的關(guān)鍵瓶頸，例如底物的傳質(zhì)限制、能量（ATP）及還原當(dāng)量供應(yīng)有限，細(xì)胞生長(zhǎng)慢和產(chǎn)物形成率低，混合營(yíng)養(yǎng)（mixotrophy）生物合成是有效方案?；旌蠣I(yíng)養(yǎng)涉及共同利用一碳化合物（C1）和有機(jī)底物，作為異養(yǎng)和自養(yǎng)生物合成的結(jié)合，對(duì)其研究還相對(duì)較少。Hong和Zeng（2021）［16］介紹和討論了C1-mixotrophy 的不同途徑及其潛力，并用示例展示了它們的優(yōu)勢(shì)?；旌蠣I(yíng)養(yǎng)生物合成的另一種可能性是提高對(duì)天然存在于異養(yǎng)生物中的C1固定回補(bǔ)反應(yīng)的利用。碳代謝的重新構(gòu)建可以導(dǎo)致強(qiáng)制C1固定到最終產(chǎn)品中，從而克服異養(yǎng)生物可實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品收率的固有限制。從中短期來(lái)看，在混合營(yíng)養(yǎng)中使用C1固定模塊的天然或合成途徑代表了一種有前途且可行的生物過(guò)程策略。為此，需要對(duì)C1固定和分解代謝模塊的細(xì)胞內(nèi)相互作用進(jìn)行更多的定量和系統(tǒng)研究。應(yīng)該更好地研究混合營(yíng)養(yǎng)中可能的分解代謝物抑制或其他干擾性天然調(diào)節(jié)機(jī)制。逐步改造已建立的生產(chǎn)菌株是提高基于C1原料的生物合成的工業(yè)相關(guān)性的必要努力。

大規(guī)模綠色生物制造的瓶頸在于原材料的可持續(xù)性和價(jià)格、生產(chǎn)成本以及產(chǎn)品提取方面的制約。實(shí)現(xiàn)對(duì)以CO2為代表的C1原料的生物利用是解決原料來(lái)源的最佳途徑和關(guān)鍵技術(shù)，合成生物學(xué)在提高C1原料轉(zhuǎn)化率，降低成本方面大有作為。目前，第三代生物煉制技術(shù)的生產(chǎn)成本總的來(lái)說(shuō)還太高，產(chǎn)品分離提取方面的工作還太少。Liu 等的文章最后從產(chǎn)品方面總結(jié)目前第三代生物煉制已經(jīng)可以合成多種燃料和化學(xué)品，部分已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段，如利用煉鋼廢氣生產(chǎn)燃料乙醇，利用微藻合成脂肪酸類(lèi)化合物。文章對(duì)C1生物合成的最新技術(shù)和信息進(jìn)行了豐富的調(diào)查和總結(jié)，并對(duì)C1生物合成進(jìn)行了展望，后續(xù)值得我們繼續(xù)思考的有：如引用文獻(xiàn)提到用生物質(zhì)合成氫氣并發(fā)電，可以將電價(jià)降低到2 美分/千瓦時(shí)，而C1生物合成目標(biāo)是利用電力和C1化合物合成生物質(zhì)，很難說(shuō)這樣的電力應(yīng)用會(huì)更有效率，而采用原位（in situ）光或電水制氫和人造光電驅(qū)動(dòng)CO2還原與生物合成相融合的技術(shù)研發(fā)，有望在這一研究方向做出具有重大突破及影響的工作。

在工業(yè)應(yīng)用方面，目前絕大多數(shù)固碳途徑和產(chǎn)品還只是停留在“概念驗(yàn)證”階段，是單一化合物從“0 到1”的突破，其技術(shù)指標(biāo)KPI（key performance indicators）遠(yuǎn)未達(dá)到規(guī)模化生物制造的需求（圖2）。對(duì)于大宗化學(xué)品的工業(yè)化生物制造而言，其產(chǎn)物濃度往往要求在每升上百克（約100 g/L），生產(chǎn)強(qiáng)度在2 g/（L·h）以上。除個(gè)別過(guò)程及產(chǎn)品外，基于CO2自養(yǎng)型的生物合成通常只能達(dá)到mg 及g/L 的濃度水平，生產(chǎn)強(qiáng)度在g/（L·d）以下。在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，要實(shí)現(xiàn)從“0 到1”到“1 到100”的基于CO2的大規(guī)模生物制造過(guò)程，還需要工程技術(shù)的突破與原創(chuàng)的工藝技術(shù)相配合。

從工業(yè)發(fā)展的歷史來(lái)看，從基礎(chǔ)科學(xué)到產(chǎn)業(yè)的形成，工程技術(shù)的突破或原創(chuàng)的工藝技術(shù)至關(guān)重要。20世紀(jì)初，化學(xué)工業(yè)的革命性成就之一——人工合成氨——就是科學(xué)和技術(shù)結(jié)合的典范。它是由德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院的Fritz Haber教授和巴斯夫公司的Karl Bosch博士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)合作完成的。其實(shí)，Haber 在其工藝原理的研究中所使用的條件［1020 ℃，1 bar（1 bar=105Pa）］和得到的結(jié)果（1904年前后氨的收率約0.005%）是遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法工業(yè)化的，是巴斯夫公司在高壓化工過(guò)程和設(shè)備方面的突破，才催生了世界上第一座高溫高壓（約450 ℃，300 bar）化學(xué)反應(yīng)器，使得這一過(guò)程在1913 年得以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，導(dǎo)致隨之的農(nóng)業(yè)革命，為此他們分別于1918 年和1931 年獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?？梢哉f(shuō)，沒(méi)有這種科學(xué)與工程的緊密結(jié)合，很難產(chǎn)生這樣劃時(shí)代的技術(shù)！基于CO2的生物合成也需要在生物反應(yīng)器方面有所創(chuàng)新，與傳統(tǒng)生物合成不同，它是體積縮小的反應(yīng)過(guò)程，加之氣體溶解度低，高壓生物合成具有顯而易見(jiàn)的優(yōu)勢(shì)，但這方面的研究極少。最近，Steffens等［17］發(fā)現(xiàn)在細(xì)菌Hippea martima中，僅僅通過(guò)提高環(huán)境CO2的濃度或分壓（40%）即可逆轉(zhuǎn)三羧酸循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)從CO2和氫氣合成丙酮酸。在這一過(guò)程中，無(wú)需三羧酸循環(huán)酶體系以外的酶參與反應(yīng)，只需其中的檸檬酸合成酶有較高的表達(dá)水平。這一現(xiàn)象可能存在于許多別的生物體內(nèi)，主要是由熱力學(xué)決定。這為高壓CO2生物轉(zhuǎn)化提供了很好的生物學(xué)理論基礎(chǔ)。

以二氧化碳、甲烷、甲酸和甲醇為代表的一碳化合物（C1）的生物轉(zhuǎn)化及工業(yè)應(yīng)用是合成生物學(xué)及綠色生物制造的重大機(jī)遇和挑戰(zhàn)，是助力碳中和的重大課題。研究重點(diǎn)在于合成生物學(xué)、過(guò)程系統(tǒng)工程、材料科學(xué)及其他基礎(chǔ)科學(xué)與技術(shù)的綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)一碳生物轉(zhuǎn)化、光電生物技術(shù)及工程工藝過(guò)程的有機(jī)融合，最終實(shí)現(xiàn)利用大氣CO2和太陽(yáng)能等綠色能源進(jìn)行生物制造，為人類(lèi)緩解氣候變化做出貢獻(xiàn)。