再创丨为什么碳回收可能是合成生物学的最高成就之一？

“我们的星球正在升温 - 但工业和学术合作伙伴正在开发新的合成生物学方法，通过回收碳使我们的星球变得更加健康。”

——LanzaTech的首席科学官兼联合创始人Sean Simpson。

作者：Niko McCarty  加州理工学院

翻译：孟凡康（对原文略有修改）

原文6月25日以Why carbon recycling could be synthetic biology’s crowning achievement为题发表在SynbioBeta

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1  地球正在升温

去年，37.1千兆吨的二氧化碳被释放到大气中，地球上每秒会产生240万磅（或110万公斤）二氧化碳。相信每一个人看到这个数字的时候都会感受到无比的震惊。 虽然二氧化碳的升温潜能远远低于甲烷和碳氟衍生物等其他化合物，但其惊人的排放量仍然令人不安。

碳也是所有地球生命的关键。 将简单的碳分子（如二氧化碳）转化为多碳化合物是生命新陈代谢和进化的核心。 在工业中，排放的碳基气体也可用于生产化学产品，这可以用来替代地球上日益减少的化石燃料。

然而，碳固定并不容易，解决这个问题需要充足的投资、大量的生物学研究和创新方法。 例如，温室气体在大气中的低浓度含量使它们极难被人工捕获和再循环。 数据显示，二氧化碳在大气中仅占大约百万分之405，甲烷则只占百万分之二。

尽管大气中温室气体浓度较低，但自养生物—如漂浮在世界海洋中的大片蓝藻—可以利用阳光有效地将二氧化碳转化为食物和氧气。 然而，固定碳的天然代谢途径通常依赖于缓慢或低效的酶，如RuBisCO。 此外，即使是最简单的生物体基因和互作的蛋白质网络，科学界也有存在着不完全的理解，这在很大程度上削弱了我们改造新陈代谢网络用以增强生物碳固定的能力。

但现实情况是残酷的，我们都知道人类对石化产品的依赖是不可持续的，我们迫切需要一种制造碳基产品的新途径。而合成生物学将在这一领域发挥重要的价值。

2  进废物，出金钱

许多公司已经开始通过重新布局微生物代谢工程产业，将温室气体转化为生物燃料和塑料。工厂或垃圾填埋场排放的废气都可以被用作碳源。

总部位于美国伊利诺伊州的LanzaTech正在将工厂排放的一氧化碳转化为乙醇，很快他们也将尝试将废气转化为其他化学品。LanzaTech已经以商业化规模生产乙醇超过一年的时间，其在中国运营有相关的气体发酵设施，同时在加利福尼亚州、比利时、印度和南非也正在建设一些新的设施。他们每年将通过碳废物生产约7700万加仑的乙醇。

根据LanzaTech的首席科学官兼联合创始人Sean Simpson博士的说法，工程微生物特别适合碳转化，因为“化学方法需要非常固定比例的气流，因此[碳源]不仅必须非常固定， 同时也决定了目标产物的选择性。“

基本上，在生物学方法走入聚光灯之前，碳废物排放的不可预测性是一个很大的问题。

 “有了生物学方法，你就拥有了一种能够与混乱度极高的废气发生反应的催化剂。这些废气主要从生物质废物或工业过程产生的废物气流中获得的......生物学方法可以将这些混杂的废气高选择性、高产量的转化为某单一产品，“辛普森说。

LanzaTech在中国的工业工厂，碳排放转化为乙醇。 图片由LanzaTech提供。

但工厂排放并不是合成生物学公司旨在获取利润的唯一碳源。 一些公司正在从农场和垃圾填埋场吸收碳并用它来制造燃料或塑料。

几乎所有地球上的塑料都是用石油制成的，但总部位于加利福尼亚的Newlight Technologies公司旨在改变这一点。他们使用垃圾填埋场里产生的甲烷生产一种名为AirCarbon的塑料。该公司将甲烷与空气混合并将其转化为液体，然后将其加入微生物中。微生物产生的生物聚合物可以用于制造塑料产品，比如手机壳和椅子。

近年来，Newlight与包括IKEA和Vinmar在内的大型塑料经销商进行了合作，并宣布了快速扩大生产规模的计划。 Newlight希望减少碳排放的同时，提供更环保的塑料替代品，因此其正在建设年产量达3亿-6亿磅产品的生产设施。

尽管人们对碳回收持续一直保持着浓厚的兴趣，但此领域仍有许多障碍需要克服。工业界越来越多地与学术界建立伙伴关系，尝试一些冒险的想法，希望能够从中开发出成熟的碳回收解决方案。

3  学术界正在推进碳回收技术的发展

为巩固学术关系，一些公司正在财务上支持着合成生物学的学术研究。 Ingenza和Sasol UK之前与Dundee大学的Frank Sargent教授合作开发了一种捕获和回收废气二氧化碳的方法。 其发表在Current Biology上的合作结果表明，大肠杆菌可以将100％的气态CO2转化为甲酸，此过程使用了一种叫做甲酸氢化酶或FHL的酶。

现在，Ingenza正在推动该项目的进展，旨在利用该技术捕获和回收发酵过程中的碳废物，同时生产化学品。 Ingenza已经成功地利用发酵优化、蛋白质工程和合成生物学等方法来设计工程细胞，用于大规模生产抗生素和化学品用以保护农作物。

但要应对像全球碳排放这样巨大的挑战，并在减少它们方面做出真正的努力，学术界不能仅限在模式生物如大肠杆菌中来寻求答案。

伦敦帝国理工学院代谢工程团队领导人Patrik Jones博士知道，天然碳固定过程存在严重的局限性，但他们相信合成生物学加上对基础生物学的进一步理解在解决这种局限性上可以发挥相当大的作用。 他的团队的目标是开发“可以增强人类活动可持续性”的全新概念和技术。

在实验室中生长的蓝藻菌株。 版权所有Hartmann / MPG。

通过研究和设计自养生物，特别是最初在淡水池中发现的蓝藻菌株，Jones的研究组已经成功地利用光合作用生产出脂肪酸、醇、烷烃和烯烃。 他们还对这种蓝细菌的基因组进行了系统的挖掘，以便更好地了解其代谢网络。 尽管做了这些努力，Jones博士也承认想要清楚的了解生物的秘密是很具有挑战性的，同时生物本身很多时候并不容易进行改造。

Jones表示，“我们在工程自养系统规模扩大化上面临着诸多严峻的挑战，但最近我觉得我们正在一些关键层面逐步取得进展，例如系统的污染和遗传稳定性。”Jones还解释说，为了提高碳固定改善人类活动，科学家们首先要弄清楚如何提高碳固定的总体速度。

位于德国马尔堡郊区的另一个学术实验室旨在实现这一目标。

“从生物化学的角度来看，RuBisCO已发展到一定的最佳状态，但它很难再得到进一步发展了，”马克斯普朗克陆地微生物研究所所长Tobias Erb教授说。

Tobias Erb教授（右）看着学生在实验室进行实验。 版权所有Hartmann / MPG。

 “RuBisCO固定二氧化碳时，它可以很快，但会产生很多错误，或者它可以很准确，但效果很慢，”Erb说。 尽管RuBisCO在植物和许多光合生物中无处不在，但它作为一种酶有点令人失望。 它经常“错误地”与氧气结合，而不是二氧化碳，这会降低其效率。

然而，Erb认为合成生物学可用于改善像RuBisCO这样的酶。 “我们希望从大自然中学习，然后运用知识开发解决方案。”Erb说，他的实验室在挖掘生物基因组和开发新酶用以克服碳固定限制而闻名于学术界。

2016年，Erb的研究小组发表了第一个用于体外固定二氧化碳的全合成代谢途径。合成途径称为CETCH，由来自9种不同生物的17种不同酶组成，包括3种工程酶。 值得注意的是，它比一些天然碳固定途径的效率提高了五倍，并且对氧气完全不敏感。

虽然将这种途径整合到活细胞中非常具有挑战性，但Erb认为，随着技术的进一步发展，碳固定的合成途径有朝一日将会在细胞内实现。

凭借来自自然界的灵感，合成生物学将为碳回收提供有利的解决方案。 未来将建立在生物学的支柱上，这并不是偶然的。

4  对生物学进一步的理解是未来的支柱

虽然科学家们在分子世界的探索已经进行数十年，但生物本身仍然不愿意分享它的秘密。 Jones知道还有很多基础工作需要完成，合成生物学的未来尚存诸多不明之处。

 “总的来说，我们的主要限制在对与生物本身的理解。 生物学很复杂，虽然我们了解大多数基因在模式生物体中的作用，但理解他们共同组成的复杂网络的挑战仍是一个巨大的挑战。“他说。

然而，随着LanzaTech，Newlight和Ingenza等公司将碳回收规模扩大，Jones和Erb等学者在开发新的合成生物工具方面向前推进，碳排放量可能会大幅减少。

从不同角度来看，人类碳排放是可能是地球生命有史以来面临的最大挑战。 减少我们碳足迹的解决方案将可能是合成生物学的最高成就之一。

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