摘要：2024 年 8 月，大气中的二氧化碳 (CO2 ) 浓度约为 423 ppm，比 2010 年增加了 9%。二氧化碳的增加与全球气温上升和海洋酸化有关，对人类生活和生物系统产生负面影响。人们正在探索多种途径实现二氧化碳净零排放，包括减少二氧化碳的排放、直接从

2024 年 8 月，大气中的二氧化碳 (CO2 ) 浓度约为 423 ppm，比 2010 年增加了 9%。二氧化碳的增加与全球气温上升和海洋酸化有关，对人类生活和生物系统产生负面影响。人们正在探索多种途径实现二氧化碳净零排放，包括减少二氧化碳的排放、直接从环境中捕获二氧化碳并将其封存于地下地质结构中，或将其用作化学生产的原料。

太阳能电池板或风力发电厂的电子可用于电化学还原二氧化碳为甲酸盐，法拉第效率现已达到 70% 以上，因此甲酸盐在工业规模上是一种潜在的可行底物。甲酸盐的溶解度为 97.2 g/100 mL，是一种比二氧化碳（0.17 g/100 mL）或碳酸氢盐（8.2 g/100 mL）更易于生物利用的碳形式。

随着合成生物学技术的发展，自养生物已被改造成能够将二氧化碳转化为增值化学品，并应用于商业化规模。例如，LanzaTech 使用工程改造的梭菌属细菌从钢厂煤气中生产乙醇。

大肠杆菌是常用的底盘细胞，已被用于二氧化碳的固定等。迄今为止，已鉴定出 4 种天然和 12 种合成的甲酸盐固定途径，其中两种合成途径已在微生物中实现。其中，四氢叶酸 (THF) 依赖的甲酸固定/还原甘氨酸合成 (rGS) (THF/rGS) 途径对能量 (2 ATP)、辅因子 (4 NAD(P)H) 和酶的要求较低，使其成为设计甲酸升级时最有利且最简洁的途径。

近日，治亚理工学院与华盛顿大学、太平洋西北国家实验室和明尼苏达大学合作，开发了一种快速高效地将二氧化碳转化为关键氨基酸（如甘氨酸和丝氨酸）的系统。相关文章以题为“Carbon Negative Synthesis of Amino Acids Using a Cell-Free-Based Biocatalyst”发表在 ACS Synthetic Biology 期刊。

氨基酸对人体几乎所有过程都必不可少。氨基酸通常被称为“生命的基石”，对于从药品和膳食补充剂到化妆品、动物饲料和工业化学品等产品的商业用途也至关重要。丝氨酸是一种工业化学品和动物饲料，全球年产量为 350 吨/年，发酵是首选生产工艺；甘氨酸是合成多种化学品（包括除草剂和杀虫剂）的原料，全球年产量为 22,000 吨。

图 | 基于 CFE 的生物催化剂过程包括三个步骤：一锅多基因表达、生物催化剂稀释和化学合成

大规模合成氨基酸面临两个关键挑战：材料成本和系统生成氨基酸的速度。

尽管蓝藻等许多生物系统可以利用二氧化碳合成氨基酸，但它们的合成速度太慢，无法用于工业应用，而且这些系统只能合成有限数量的化学物质。

目前，大多数商业氨基酸都是使用生物工程微生物生产的。“这些专门设计的微生物将糖或植物生物质转化为燃料和化学品，”第一作者 Shaafique Chowdhury 解释道，“但如果使用糖作为原料，就会消耗宝贵的食物资源——而且预处理植物生物质的成本很高。”这些过程还会释放二氧化碳作为副产品。

Chowdhury 表示，“团队很好奇我们能否开发出一种商业上可行的系统，以二氧化碳作为原料。我们希望建立一个可以快速高效地将二氧化碳转化为关键氨基酸（如甘氨酸和丝氨酸）的系统。”

未纯化的多酶生物催化剂可将高达 100% 的固定碳用于化学合成，同时降低工艺成本，从而实现经济可行的工业化学品合成。此类生物催化剂可通过在非活体裂解物无细胞表达 (CFE) 中直接表达生物合成途径基因按需生成，无需纯化即可用于化学合成。重要的是，与微生物催化剂相比，基于 CFE 的生物催化剂可以在更广泛的 pH、溶剂和温度下发挥作用。此外，与微生物生物催化剂不同，基于 CFE 的生物催化剂可以以最大速度形成产品，因为没有膜来限制底物或产品的扩散率。

在这项研究中，团队设计了一种基于裂解物的无细胞表达 (CFE) 多酶生物催化剂，用于从 CO2 当量和氨中从头合成甘氨酸和丝氨酸。

多酶生物催化剂由四氢叶酸 (THF) 依赖的甲酸固定（模块 1）、rGS（模块 2）和丝氨酸合成（模块 3）组成。每合成一个丝氨酸，即可捕获 3 个 CO2 当量（2 个甲酸盐、1 个碳酸氢盐）和一个氨。甲酸盐到丝氨酸和甘氨酸的转化率为 30%，超过了之前通过使用纯化酶重建 rGS 实现的甲酸盐到甘氨酸 22% 的转化率。

此外，研究团队还发现 (1) 基于 CFE 的生物催化剂即使在稀释 200 倍后仍具有活性，从而能够实现更高的底物负载和产物合成，而不会产生额外的细胞裂解物成本；(2) NAD(P)H 再生对于推动反应接近热力学平衡至关重要；(3) 平衡添加到 CFE 中的甲酸盐转化为丝氨酸途径基因的比例是改善氨基酸合成的关键；(4) 有效的 THF 回收可以降低这种辅助因子的负载，从而降低基于 CFE 的生物催化剂的成本。

总而言之，这项研究提供了一种途径，使这种方法既经济又可扩展。该系统未来可能用于制造从芳香烃和萜烯到醇类和聚合物等各种化学品，不仅能减少我们的碳足迹，还能改善碳足迹。

参考链接：

1.https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssynbio.4c00359#

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来源：生辉SciPhi