合成生物學(xué)助力碳中和：新底盤、新策略與新技術(shù)

孫韜，張衛(wèi)文，胡章立，元英進(jìn)

（1天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072；2天津大學(xué)生物安全戰(zhàn)略研究中心，天津 300072；3教育部系統(tǒng)生物工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和合成生物學(xué)前沿科學(xué)中心，天津 300072；4深圳大學(xué)生命與海洋科學(xué)學(xué)院，廣東 深圳 518055；5廣東省海洋藻類工程技術(shù)研究中心，廣東 深圳 518055）

2020年9月22日，國(guó)家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上宣布：中國(guó)力爭(zhēng)2030年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)?！半p碳”目標(biāo)既體現(xiàn)大國(guó)擔(dān)當(dāng)，又為構(gòu)建人類命運(yùn)共同體貢獻(xiàn)了中國(guó)智慧。除了傳統(tǒng)的植樹造林外，未來(lái)實(shí)現(xiàn)碳中和，更需：①借助光伏、風(fēng)電等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)清潔發(fā)電；②用新工藝、新設(shè)備提高煤等傳統(tǒng)能源的使用效率；③通過(guò)催化工藝，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有用的產(chǎn)品和資源；④技術(shù)加持能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型［1］。其中，CO2的轉(zhuǎn)化代表著其資源化再利用和綠色制造的新方式，既能減少CO2的總量，又能變廢為寶。2021年4月，中美雙方聯(lián)合發(fā)表的《中美應(yīng)對(duì)氣候危機(jī)聯(lián)合聲明》中同樣包含“碳捕集利用和封存”的相關(guān)內(nèi)容［2］，再次表明CO2轉(zhuǎn)化對(duì)碳中和的重要作用。為促進(jìn)CO2轉(zhuǎn)化，我國(guó)科技部在“十三五”“十四五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃部署的“合成生物學(xué)”“綠色生物制造”等重點(diǎn)專項(xiàng)中，多個(gè)項(xiàng)目聚焦CO2的高效利用和轉(zhuǎn)化，表明對(duì)這一問(wèn)題關(guān)鍵性的頂層認(rèn)可。

CO2是自養(yǎng)生物尤其是光合自養(yǎng)生物的天然碳源，每年經(jīng)由光合作用約有2580億噸CO2被固定為有機(jī)物，展示了光合作用的巨大能力。而合成生物學(xué)的快速發(fā)展則賦予了CO2轉(zhuǎn)化的無(wú)限可能。2009年，美國(guó)James C.Liao團(tuán)隊(duì)在光合聚球藻中實(shí)現(xiàn)了CO2到異丁醇和異丁醇的轉(zhuǎn)化［3］，引領(lǐng)了CO2轉(zhuǎn)化為生物燃料和化學(xué)品這一研究方向，隨后各種轉(zhuǎn)化技術(shù)如雨后春筍般出現(xiàn)［4-6］。2022年2月21日，碳回收公司LanzaTech和美國(guó)西北大學(xué)的研究人員合作，利用合成生物學(xué)改造一種梭菌（Clostridium autoethanogenum），可將包含CO2在內(nèi)的工業(yè)廢氣轉(zhuǎn)化為兩種有用的化合物——丙酮和異丙醇，以一個(gè)工業(yè)規(guī)模的先導(dǎo)性試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了化學(xué)品的負(fù)碳制造［7］。除了生物固碳，光電無(wú)機(jī)催化CO2轉(zhuǎn)化為一碳化合物如甲酸、甲醇等日益成熟［8-9］，合成生物學(xué)作為一個(gè)交叉學(xué)科，越來(lái)越多的新型生物-無(wú)機(jī)固碳方式得以實(shí)現(xiàn)，我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)先后完成了從CO2到淀粉、脂肪酸等合成的重大突破［10-11］，為CO2轉(zhuǎn)化拓寬了思路。必須注意的是，一方面現(xiàn)有的合成生物學(xué)驅(qū)動(dòng)的CO2轉(zhuǎn)化效率和能力仍需提升，另一方面產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合才能真正促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，切實(shí)讓合成生物學(xué)助力碳中和的實(shí)現(xiàn)。為此，本刊匯集領(lǐng)域內(nèi)一線專家，聚焦新底盤、探索新策略、匯總新技術(shù)，從多個(gè)角度總結(jié)CO2轉(zhuǎn)化的現(xiàn)有進(jìn)展并論述在未來(lái)提升CO2轉(zhuǎn)化效力的可行方案。

植物每年所固定的碳約占大氣中碳總量的20%，在生態(tài)碳匯中發(fā)揮重要作用。因此，圍繞植物底盤積極開展碳減排技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新，可提高生態(tài)碳匯能力。為此，中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心朱新廣團(tuán)隊(duì)［12］系統(tǒng)總結(jié)了近年來(lái)在多個(gè)植物底盤中逐步建成并完善的標(biāo)準(zhǔn)化元件體系、基因線路的設(shè)計(jì)以及定向進(jìn)化等合成生物學(xué)技術(shù)，創(chuàng)造性提出建立數(shù)字植物（ePlant）實(shí)現(xiàn)對(duì)植物全方位生命活動(dòng)的模擬來(lái)指導(dǎo)其改造的理念。而針對(duì)具體改造的靶點(diǎn)、途徑，河南大學(xué)張立新團(tuán)隊(duì)［13］著重討論了如何提高Rubisco酶的羧化活性、引進(jìn)CO2濃縮機(jī)制、降低光呼吸等幾個(gè)方面，提出通過(guò)合成生物學(xué)對(duì)光合作用碳同化模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)、改造、優(yōu)化和重組，以提升植物的固碳能力。對(duì)此，中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所趙磊團(tuán)隊(duì)［14］則突破常規(guī)，系統(tǒng)分析評(píng)價(jià)了不同途徑的CO2固定能力和限制因素，由此探討了人工設(shè)計(jì)、合成植物CO2代謝通路的可能性，進(jìn)而討論了基于零碳排放的新型物質(zhì)生產(chǎn)策略。中國(guó)科學(xué)院微生物研究所李寅團(tuán)隊(duì)［15］則總結(jié)天然固碳途徑改造和人工固碳途徑設(shè)計(jì)合成方面取得的進(jìn)展，重點(diǎn)討論了人工生物固碳過(guò)程中的還原力和能量輸入問(wèn)題，以期提升固碳的效率。

相比植物底盤，光合微生物如微藻和藍(lán)細(xì)菌等，生長(zhǎng)速度更快且更易基因操作，近些年來(lái)利用合成生物學(xué)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從CO2到數(shù)十種化學(xué)品的轉(zhuǎn)化［16］，因而對(duì)促進(jìn)碳中和同樣具有巨大潛力。由于現(xiàn)階段微藻相關(guān)遺傳操作工具不夠完善，南京工業(yè)大學(xué)趙權(quán)宇團(tuán)隊(duì)［17］認(rèn)為可借助并優(yōu)化傳統(tǒng)的定向進(jìn)化策略，深入挖掘耐受基因、光合和活性組分生物合成的元件，為微藻基因改造打下基礎(chǔ)。為促進(jìn)微藻的進(jìn)一步開發(fā)和利用，河南大學(xué)王強(qiáng)團(tuán)隊(duì)［18］總結(jié)了微藻作為細(xì)胞工廠生產(chǎn)平臺(tái)化合物、生物能源和高附加值化合物的途徑、底盤改造策略等最新進(jìn)展，提出微藻亟需從建立標(biāo)準(zhǔn)化的基因組編輯技術(shù)、理解合成物質(zhì)的代謝流和控制機(jī)制、提高生物量及光合作用效率等幾個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行攻關(guān)。對(duì)此，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所呂雪峰團(tuán)隊(duì)［19］形象地提出了“拆盲盒”“擠海綿”“動(dòng)刀子”三種策略來(lái)應(yīng)對(duì)微藻光驅(qū)固碳合成技術(shù)在應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)；而深圳大學(xué)胡章立團(tuán)隊(duì)［20］則重點(diǎn)針對(duì)光合作用過(guò)程，提出通過(guò)外源代謝途徑的導(dǎo)入和背景代謝網(wǎng)絡(luò)的改造，設(shè)計(jì)構(gòu)建微藻高效固碳工程株的技術(shù)流程。另一方面，針對(duì)藍(lán)細(xì)菌，上海交通大學(xué)陶飛團(tuán)隊(duì)［21］從碳固定、光能捕捉和生物多樣性的層面討論了其代謝潛能并系統(tǒng)地總結(jié)了基因編輯、適應(yīng)性進(jìn)化、多元抗逆和光驅(qū)動(dòng)細(xì)胞工廠這些藍(lán)細(xì)菌合成生物學(xué)的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域近期的重要研究進(jìn)展。為促進(jìn)藍(lán)細(xì)菌底盤的進(jìn)一步改造，天津大學(xué)張衛(wèi)文團(tuán)隊(duì)［22］歸納了藍(lán)細(xì)菌中的雙組分信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)、調(diào)控小RNA和σ因子等主要調(diào)控系統(tǒng)，提出可通過(guò)調(diào)控工程來(lái)提高底盤魯棒性、優(yōu)化產(chǎn)品生產(chǎn)等。

除了光能細(xì)胞外，部分電能細(xì)胞也可進(jìn)行CO2轉(zhuǎn)化，天津大學(xué)宋浩團(tuán)隊(duì)［23］聚焦近五年電能細(xì)胞合成生物學(xué)改造，通過(guò)分析雙向電子傳遞的分子機(jī)制，分類匯總產(chǎn)電細(xì)胞和噬電細(xì)胞的合成生物學(xué)改造策略。不同于傳統(tǒng)的生物固碳，非生物系統(tǒng)的CO2光電催化、酶催化等新技術(shù)不斷發(fā)展，有望大幅簡(jiǎn)化CO2固定過(guò)程并提升其轉(zhuǎn)化效率。對(duì)此，中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所朱之光團(tuán)隊(duì)［24］總結(jié)了酶促生物電催化技術(shù)在酶燃料電池、生物傳感器、化學(xué)品酶電合成等合成生物學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的前沿應(yīng)用。而西湖大學(xué)曾安平團(tuán)隊(duì)［25］圍繞近期James C.Liao團(tuán)隊(duì)利用人工設(shè)計(jì)開發(fā)的新型多酶復(fù)合分子機(jī)器建立的CO2固定的閉合循環(huán)反應(yīng)-還原型乙醛酸-丙酮酸合成路徑展開討論，聚焦輔因子工程以及利用多酶分子機(jī)器固定CO2所面臨的挑戰(zhàn)。

“雙碳”目標(biāo)是我國(guó)統(tǒng)籌國(guó)內(nèi)國(guó)際兩個(gè)大局作出的重大決策，也是實(shí)現(xiàn)中華民族永續(xù)發(fā)展的必然選擇。合成生物學(xué)推動(dòng)的CO2轉(zhuǎn)化有助于加快形成綠色制造方式，歷經(jīng)底盤、策略與技術(shù)的持續(xù)革新，相信通過(guò)我國(guó)合成生物學(xué)界同仁的共同努力，無(wú)論是基于光能細(xì)胞、電能細(xì)胞還是無(wú)機(jī)、生物-無(wú)機(jī)的CO2轉(zhuǎn)化，都將不斷提升效力，最終助力國(guó)家碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。