专访Amyris白玮丨首次利用太阳能光电，工程细菌以二氧化碳为原料合成正丁醇，或可成为有吸引力的微生物底盘

当被问道为什么科研这么难仍选择去做时，白玮博士说道，“科学研究就是如此，不能因为很难就不去做这件事情，反而因为它很难，做出来才很有意义。” 短短一句话道出了绝大多数从事科研事业的人的心声。

白玮本科毕业于天津大学，专业为生物工程，在天津大学元英进院士实验室开展本科毕业设计，课题为产酮古龙酸杆菌中吡咯喹啉醌合成基因的构建及与产酸相关基因的适配表达，硕士前往美国卡耐基梅隆大学，专业为化学工程，研究方向为通量平衡的分析，课题为实验室级别下大肠杆菌的高产率质粒生产，博士在华盛顿圣路易斯大学就读，现为 Amyris 科学家。

图丨白玮（来源：受访者提供）

今年 11 月，白玮以第一作者身份在 communications biology 上发表文章，该文章阐述了其博士阶段的主要研究内容，证实了工程细菌可以二氧化碳为碳源、氮气为氮源，电极上的电子为电子供体合成有机碳化合物。

（来源：communications biology ）

借此机会，生辉 SynBio 邀请白玮与我们分享她的研究领域以及作为较早一批接触合成生物学的科学家，对于合成生物学的看法和期望。

尽管步入职场时间不长，但白玮已对在学校和公司做研发的不同感触颇深，“最大的不同点是资源不同，相比于学校，公司提供了可以与不同背景的人更为紧密的合作的机会；其次是体量，公司可以做到较高程度的自动化，因此会有更多的时间设计实验、分析实验数据；最后是目标，学校的项目目标更倾向于科学价值，在产量方面侧重于从 ‘0’ 到 ‘1’，而公司实用性较强，更期望能做出产品，侧重于 ‘1’ 到 ‘1000’。”

工程细菌合成生物燃料正丁醇

“用二氧化碳作为碳源合成生物燃料是众多合成生物学家希望做成的事情”，白玮说道，“正丁醇是一种比乙醇更好的生物燃料，它的热值跟同样体积汽油的热值比较接近，正丁醇的挥发性和水溶性较差，因此运输相对容易，它也是一种有机溶剂，在油漆和化妆品中都有很大的应用。”

白玮所在的华盛顿大学研究团队将一种有效的、经过密码子优化的正丁醇生物合成途径引入沼泽红假单胞菌（R. palustris ）TIE-1 中，该微生物是一种无氧光合自养生物。

产生正丁醇的代谢通路一共有五步，该通路包含五个基因（phaA、phaB、phaJ、ter、adhe 2），TIE-1 具有前两个基因（phaA 和 phaB）的同源物。根据白玮的介绍，在这项研究中，团队做了两个不同的设计，一种只导入了 TIE-1 中缺失的三个基因 (phaJ, ter, adhe2)，一种导入了代谢通路中涉及的全部五个基因， 结果发现，这两种版本在各种不同基因型的 TIE-1 中对产量及产率有不同的影响。

一些基因型的 TIE-1 的产量和产率基本不变或者有小幅下降，团队推测可能是该基因型的 TIE-1 中原来含有的 phaA 和 phaB 在一些基因型中已经足够支持正丁醇代谢通路的代谢通量，这时再导入额外的 phaA 和 phaB 对产量和产率影响不明显，甚至因为代谢通量的不平衡产生负面影响；而在另一些基因型中由于 TIE-1 本身的 phaA 和 phaB 不足以支持正丁醇代谢通路的代谢通量，额外附加的 phaA 和 phaB 对产量和产率产生了积极的影响。

（来源：研究论文）

蓝藻等光合自养生物已被证明可以利用二氧化碳合成生物燃料，那为什么要选用无氧光合自养生物 TIE-1 呢？

对此，白玮表示，“这个问题可以分两个方面来回答。首先为什么选择无氧光合自养微生物？正丁醇的合成过程需要多种酶，其中一种酶的活性受氧气抑制，若在合成正丁醇的过程中有氧气的产生，则会破坏该酶活性；其次在众多无氧光合自养微生物中为什么选择 TIE-1？目前对于无氧光合自养微生物研究有限，对于菌种的选择受限于是否有相应的基因改造工具，是否可以在实验室中做单菌培养， 以及是否有全基因组测序结果，因此像 TIE-1 这样满足这些条件的无氧光合微生物成为了我们的首选。此外，TIE-1 可以利用电极上的电子作为电子供体的特性，因此选择 TIE-1 使得我们可以使用太阳能电池板产生的电能来为微生物的生长提供电子。”

她补充道，“在合成正丁醇的过程中需要很多电子供体（NADH），因此团队尝试敲除 TIE-1 固氮的代谢通路（固氮的代谢通路也需要很多电子，而电子供体的再生依赖于电子）以让更多的电子被正丁醇的合成所利用，结果表明敲除固氮代谢通路是可行的，正丁醇的产量和碳的转化率都得到很大的提高。”

图 | 无固氮代谢通路的 TIE-1（Nif-3 和 Nif-5） 正丁醇的产量 (a) 和碳的转化率更高 (e)（来源：研究论文）

此项研究中 TIE-1 的电子供体来源于太阳能电池板所产生的电能，这是首次尝试使用太阳能电池板供电的微生物电合成平台（微生物电合成是微生物利用电能作为还原力将二氧化碳、葡萄糖或其它底物还原合成为各种化学品的过程）生产生物燃料，结果表明 TIE-1 可成为未来有吸引力的微生物底盘，通过合成生物学和代谢工程生产碳中性生物燃料。

“人工固碳技术具有极大应用前景”

伴随工业革命，近一个世纪化石燃料的大量使用，大气中二氧化碳的浓度不断增加，对环境造成严重破坏。将二氧化碳转化为具有价值的化学品不仅可以减少大气中的二氧化碳含量，有利于环保，而且可以为工业提供碳源，缓解石油消耗。

自养生物可以利用太阳能、化能等能量形式固定二氧化碳进行生长，目前，科学家共发现了 6 种天然固碳途径，其中卡尔文循环是自然界分布最广的固碳途径，每年可将 1 千亿吨二氧化碳转化成生物质。

但天然固碳的转换效率较低、经济性较差，限制其实现工业化利用，因此构建具有高转化效率的人工固碳途径一直是相关领域的研究重点。

图 | 卡尔文循环（来源：mianfeiwendang.com）

白玮表示，“目前所有的国家都在努力节能减排，提倡 “碳中和”，这一切是为了减少二氧化碳的排放或者减少使用排放二氧化碳的东西，但这并不能将已经排放到大气中的二氧化碳回收，而人工固碳可以达到这个目标，有很大的应用前景。”

目前常见的人工固碳方式之一是人工光合作用固碳，顾名思义是指用人工的手段来模拟光合作用过程，在此过程中将二氧化碳还原并把光能储存为可以利用的能量如燃料，将水转化为氢气和氧气的光催化水分解技术是人工光合作用的主要研究方向，另一研究方向是光驱动二氧化碳还原，利用大自然丰富的太阳能驱动二氧化碳还原反应实现人工光合作用，这复制并延续了碳固定的研究，但实现高效光催化 CO2，选择高活性、高选择性和高稳定性的助催化剂至关重要，目前在助催化剂领域的研究虽取得了一些成就，但仍处于起步阶段。

2016 年，德国马克斯・普朗克协会研究人员在美国《科学》杂志上报告说，他们发现自然界中存在一种能够更有效结合固定二氧化碳的酶，这种名为 ECR 的酶从细菌中提取，几乎从不 “犯错”，且催化反应速度可达 RuBisCo（参与碳固定的第一个主要步骤的酶） 的 20 倍，但 ECR 酶无法与光合作用中的其他酶协调作用。

经过不断筛选优化，研究人员为 ECR 酶设计出了一种名为 CETCH 循环的人工循环过程，在实验室中固碳的效率较自然界中的光合作用高出 20%，目前在实验室发生的 CETCH 循环中，二氧化碳可以被转变为乙醛酸。

图 | CETCH 循环 （来源：研究论文）

21 世纪以来，合成生物学的蓬勃发展，也给生物固碳带来了新的技术突破。

白玮表示，“合成生物学的出现不仅可让自养生物将二氧化碳转化为更有价值的化学分子，还有望让原本只能够异养的生物具备人工固碳的功能。”

常见的自养生物有微藻、食气梭菌、蓝细菌等，但自养微生物碳捕获效率低，缺乏遗传工具，因此对自养微生物进行遗传操作具有挑战性，在合成生物学的帮助下，科学家开发了人工合成的固碳途径，目前已取得了一些进展。

2019 年，中国科学院天津工业生物技术研究所毕昌昊研究团队，把罗氏菌作为基底菌株，构建出由二氧化碳到有机物的生物合成途径；2021 年 3 月，中国科学院青岛生物能源与过程研究所的研究人员发表论文，报道了其研发的一种新型 “基因组手术刀”，快速修剪敲除了微藻的基因组，形成一个高效的细胞工厂，然后可利用二氧化碳和阳光来定制化生产生物大分子物质；

2021 年 9 月，中国科学院分子植物科学卓越创新中心姜卫红、顾阳团队通过改造食气梭菌同时高效生产三种大宗化学品。

白玮表示，“相比于自养生物，让异养生物固定二氧化碳有很多难点，首先，要转很多外源基因；其次，需要很长时间的传代培养才能使异养生物以二氧化碳为单一碳源，在此条件下异养生物的生长速度也较使用有机碳环境大幅减慢；最后，虽然这些微生物可以用二氧化碳作为碳源，但仍需要其它有机碳作为电子供体。”

即使用异养生物固定二氧化碳难点诸多，科学家仍试图攻克它，正如白玮所说，正因为它有很多难点，才是科学研究的意义所在。

常见的异养模式生物有大肠杆菌和酵母，科学家已经开发了将其改造为完全自养微生物的方法，2019 年 11 月，来自以色列威茨曼科学研究院的 Ron Milo 教授及其合作者在 Cell 杂志发表文章，报道了首次在实验室内构建出只利用 CO2 作为唯一碳源的自养型大肠杆菌；同年，来自奥地利自然资源与生命科学大学的 Diethard Mattanovich 小组改造了巴斯德毕赤酵母，将过氧化物酶体甲醇同化途径改造成类似卡尔文循环的 CO2 固定途径。

“合成生物学的发展对于生物固碳有着十分重大的意义。一方面越来越丰富的基因库，代谢通路的模块化，标准化也使得菌株工程师、酶工程师能够设计出更加高效的代谢通路；另一方面日渐成熟基因编辑技术、DNA 合成技术使得菌株工程师能够更加快速，准确的构建出能够将二氧化碳转化为有机碳的工程菌。因此有理由相信，合成生物学的发展将会为我们提供更多元化的将二氧化碳转化为有机化学品的途径。”

参考资料：

• https://www.nature.com/articles/s42003-021-02781-z
• http://www.synbioco2.org/clients_view.aspx?typeid=5&id=431&fid=t2:5:2
• https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867419312309  
• https://www.nature.com/articles/s41587-019-0363-0

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