微生物研究所創(chuàng)建最小化的人工固碳循環(huán)

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工業(yè)快速發(fā)展導(dǎo)致二氧化碳等溫室氣體排放不斷增加，促使各國政府加速開發(fā)二氧化碳捕集利用技術(shù)，力爭(zhēng)早日實(shí)現(xiàn)“碳中和”。其中，設(shè)計(jì)和創(chuàng)建具有高效生物固碳能力的酶、生化途徑、工程生物或微生物組，已成為合成生物固碳領(lǐng)域的國際研究熱點(diǎn)。

在自然界中，植物和微生物可利用六條天然固碳途徑將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，其中最為人熟知、可能也是最重要的途徑，就是以1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶（Rubisco）為核心固碳酶的卡爾文循環(huán)。為突破天然固碳途徑的低效率，2016年和2021年，Science雜志先后報(bào)道了人工設(shè)計(jì)的非天然固碳途徑CETCH循環(huán)（由德國馬普陸地微生物研究所完成）和ASAP途徑（由中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所完成），可在無細(xì)胞系統(tǒng)中將二氧化碳分別轉(zhuǎn)化為乙醛酸和淀粉。

這些天然和人工固碳途徑的共同特點(diǎn)是比較長，一般包含十步以上的生化反應(yīng)。一般情況下，生化途徑的反應(yīng)步驟越多，整體效率就越低。然而，生物固碳途徑必須由很多反應(yīng)步驟組成嗎？能否設(shè)計(jì)一條比天然固碳途徑反應(yīng)數(shù)更少的人工固碳途徑？如果能設(shè)計(jì)出來，這樣的人工固碳途徑需要在怎樣的條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，能夠達(dá)到多高的固碳效率？

針對(duì)這些問題，研究人員基于生化反應(yīng)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算，設(shè)計(jì)了一個(gè)全新的最小化的人工固碳循環(huán)。這個(gè)循環(huán)只包含四步反應(yīng)，分別由丙酮酸羧化酶（PYC）、草酰乙酸乙?；饷福∣AH）、乙酸-CoA連接酶（ACS）和丙酮酸合酶（PFOR）催化，所以被命名為POAP循環(huán)（見下圖）。在四步反應(yīng)中，由丙酮酸合酶和丙酮酸羧化酶催化的這兩步反應(yīng)均為固碳反應(yīng)。POAP循環(huán)每運(yùn)行一輪，可以轉(zhuǎn)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。

在POAP循環(huán)的四步反應(yīng)中，最關(guān)鍵和最難實(shí)現(xiàn)的是由丙酮酸合酶（PFOR）催化的還原羧化反應(yīng)。正常情況下，我們?cè)谏矬w內(nèi)能夠普遍觀察到的反應(yīng)是PFOR催化丙酮酸氧化脫羧并釋放二氧化碳。而實(shí)現(xiàn)POAP循環(huán)，需要把PFOR催化的氧化脫羧反應(yīng)逆轉(zhuǎn)過來，即催化乙酰輔酶A還原羧化生成丙酮酸。這個(gè)還原羧化反應(yīng)在熱力學(xué)上不利，需要較大的還原力來推動(dòng)反應(yīng)的發(fā)生。因此，研究人員考慮在厭氧條件下利用低電勢(shì)的電子供體提供足夠的還原力來驅(qū)動(dòng)反應(yīng)。

通過合成并測(cè)試一系列低電勢(shì)的電子供體鐵氧還蛋白（Ferredoxin，F(xiàn)d），研究人員發(fā)現(xiàn)來源于Hydrogenobacter thermophiles的Fd2對(duì)PFOR的還原羧化反應(yīng)具有較強(qiáng)的推動(dòng)作用。以Fd2作為電子供體，可以驅(qū)動(dòng)熱纖梭菌（Clostridium thermocellum）來源的異型四聚體丙酮酸合酶實(shí)現(xiàn)乙酰輔酶A的還原羧化。這也是異型四聚體的丙酮酸合酶首次在體外實(shí)現(xiàn)還原羧化反應(yīng)。

研究人員通過進(jìn)一步的合成測(cè)試，獲得了構(gòu)建POAP循環(huán)所需要的其他三個(gè)酶PYC、OAH和ACS。然后采用先分別構(gòu)建POAP半循環(huán)、再將兩個(gè)POAP半循環(huán)整合在一起的策略，構(gòu)建了具有功能的POAP循環(huán)。以13C標(biāo)記的碳酸氫鈉為底物進(jìn)行測(cè)試，成功檢測(cè)到POAP循環(huán)的產(chǎn)物13C標(biāo)記的草酸，并測(cè)定出POAP循環(huán)的二氧化碳固定速率為8.0 ± 1.8 nmol CO2/min/mg固碳酶，草酸的轉(zhuǎn)換數(shù)為5 摩爾/摩爾POAP循環(huán)酶，固碳效率較高。

理論上，構(gòu)成一個(gè)最小固碳循環(huán)需要三步反應(yīng)。POAP循環(huán)只含有四步反應(yīng)，已經(jīng)接近理論最小值，也是目前經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證實(shí)的最小化的人工固碳循環(huán)。由于途徑短，在PFOR活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于CETCH循環(huán)固碳酶活性的情況下，POAP循環(huán)的二氧化碳固定速率仍然超過了含有十二步反應(yīng)的CETCH循環(huán)。POAP循環(huán)可以在厭氧和較高溫度（50°C）下實(shí)現(xiàn)二氧化碳固定，它為了解和研究地球早期生物如何進(jìn)行二氧化碳固定提供一個(gè)新的模型，也為二氧化碳的人工生物轉(zhuǎn)化提供了一條新的可選途徑。

該研究歷時(shí)近五年完成，并于2021年12月28日在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊ACS Catalysis，題為“A Minimized Synthetic Carbon Fixation Cycle”。中國科學(xué)院微生物研究所博士研究生肖璐為論文第一作者，李寅研究員為通訊作者。該研究得到了中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)預(yù)研項(xiàng)目、中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助。

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