利用二氧化碳的工程微生物：迈向可持续生物经济的关键一步

为应对气候变化，研究人员开发利用 CO2或 C1 化合物的工程微生物，为生物经济提供可持续方案。

　　# 二氧化碳变身 “宝藏” 原料：微生物工程开启可持续生物经济新时代
在全球气候变暖的大背景下，二氧化碳（CO2?）排放过量带来的危机日益严重。冰川加速融化，海平面不断上升，极端气候频繁出现，这些问题严重威胁着人类的生存与发展。以往，人们总把CO2?当作 “麻烦制造者”，但如今，科学家们却想尝试把它变成 “宝藏” 原料。因为仅仅限制CO2?排放已经不足以缓解气候危机，将大气中已有的CO2?捕获并加以利用，才是更具前瞻性的解决思路。

在此背景下，来自格罗宁根大学生物分子科学与生物技术研究所（University of Groningen）的研究人员塞巴斯蒂安?温克（Sebastian Wenk）和卡琳?尚恩（Karin Schann）展开了深入研究。他们的研究成果发表在《BIOspektrum》杂志上，为可持续生物技术的发展带来了新的曙光。

从生物学角度看，CO2?是地球上所有生命的重要基础。绿色植物和蓝藻等自养生物能通过卡尔文循环（Calvin Cycle），将CO2?转化为长链碳化合物，成为整个生态系统的能量基石。一些微生物，如细菌、古菌和酵母，也具备利用CO2?或甲醇（H2?COH）、甲酸盐（HCOOH）等简单 C1 化合物作为碳源的能力。而且，甲醇和甲酸盐可以通过电化学方法由CO2?高效制备，液态的它们在操作和微生物培养上更具优势。

在可持续生物经济的蓝图里，CO2?、甲醇和甲酸盐有望成为微生物培养的优质底物。通过精准的基因改造，让微生物合成化学品、食品甚至生物燃料等对人类至关重要的产品，逐步取代依赖化石资源的传统化学工业，实现向可持续循环经济的转变。其中，微生物利用CO2?为底物进行生长代谢，成为了研究的关键。

代谢工程助力微生物 “吃”CO2?生长。在过去几十年间，微生物遗传学取得了重大进展。现代分子生物学技术让精准改造微生物基因成为可能，强大的分析技术又能高效地对改造后的微生物进行研究和鉴定。这一系列成果为合成生物学（Synthetic Biology）这一新兴学科的崛起奠定了基础。合成生物学旨在利用现有知识创造对人类有益的新生物系统，合成代谢（Synthetic Metabolism）作为其分支学科，专注于将自然生物的初级代谢途径转移到其他生物体内，或者设计全新的代谢途径，并整合到具有生物技术应用价值的微生物中。

大肠杆菌（Escherichia coli，简称 E. coli）作为全球研究最为透彻的微生物，其基因组已被完全测序和深入分析，成为了合成代谢研究的理想模型生物。近年来，科学家们在大肠杆菌中取得了多项合成代谢领域的重要突破，成功建立了三条能让大肠杆菌利用CO2?和甲酸盐生长的代谢途径。以色列魏茨曼科学研究所（Weizmann Institute）的研究人员在大肠杆菌中引入卡尔文循环，使原本偏好糖类作为碳源的大肠杆菌首次实现仅依靠CO2?生长，这一突破为基于CO2?的生物技术发展奠定了基础。在马克斯?普朗克分子植物生理学研究所（Max - Planck - Institut für molekulare Pflanzenphysiologie），研究人员在大肠杆菌中建立了还原甘氨酸途径（reductive glycine pathway，rGlyP）和丝氨酸 - 苏氨酸循环（Serine - Threonine Cycle，STC）这两条合成途径用于甲酸盐同化。rGlyP 是一条短而线性的代谢途径，能高效地将甲酸盐和CO2?转化为丙酮酸，逐步整合该途径后得到了能仅依靠甲酸盐和CO2?生长的大肠杆菌菌株。而 STC 是一条较长的循环代谢途径，与大肠杆菌的中心碳代谢有较多重叠，代谢工程操作更为复杂，但通过适应性实验室进化，研究人员也成功获得了能利用甲酸盐的大肠杆菌菌株。

生长耦合选择和适应性实验室进化这两项关键技术在合成代谢途径的建立过程中发挥了重要作用。生长耦合选择基于定向基因缺失，中断从代谢物 A 到代谢物 B 的天然代谢途径，使微生物无法在传统底物上生长。而重组表达的合成代谢途径可以将替代底物（如CO2?）转化为代谢物 B，恢复微生物的生长，借此筛选出基于可持续底物的高效酶和代谢途径。如果合成代谢途径的活性不理想，适应性实验室进化便派上用场。在选择性条件下，微生物细胞会发生突变，突破代谢瓶颈，提高代谢效率。这两项技术不仅推动了上述代谢途径的建立，未来也将在不同生物的合成代谢途径开发中继续发挥核心作用。

研究人员在这项研究中主要运用了以下关键技术：一是代谢工程技术，通过精准地对微生物基因进行改造，调整其代谢途径，使微生物能够利用CO2?或相关 C1 化合物进行生长和代谢；二是生长耦合选择技术，利用基因编辑手段中断天然代谢途径，筛选能利用替代底物的微生物，从而鉴定出高效的合成代谢途径；三是适应性实验室进化技术，通过在特定培养条件下多代培养微生物，促使其发生突变，优化合成代谢途径的效率。

总的来说，这项研究成功地将天然和合成代谢途径整合到大肠杆菌中，使其能够在可持续的CO2?基碳源上生长，为实现基于CO2?的生物经济提供了有力的理论和实践依据。不过，目前改造后的菌株生长效率还有提升空间，距离工业化应用还有一定距离。未来，研究人员计划进一步优化菌株生长，将开发的代谢途径拓展到酵母等其他具有生物技术应用价值的微生物中。这一研究成果为解决气候变化问题和推动可持续生物经济发展提供了新的方向，有望开启一个以CO2?为原料的绿色生物制造新时代，让二氧化碳从气候危机的 “元凶” 转变为可持续发展的 “助力军”。