合成生物将颠覆制造业，细菌如何将CO2转化为化工品

撰文 | 维小尼

编辑 | 郭郭

→这是《环球零碳》的第135篇原创

环球零碳

碳中和领域的《新青年》

摘要：在合成生物技术的介入下，汽油、柴油、塑料、橡胶、纤维及许多大宗传统石油化工产品，正不断被来自可再生原料的工业生物制造产品替代。随着现代生物制造产业的加速形成与扩展，一个大规模的生物制造产业即将到来。通过合成生物技术赋能绿色工厂，或可以帮助工业制造业实现净零排放。

来源：europeanscientist

合成生物，最近很火热。特别是在医疗健康领域，被广泛应用于药物制造、疫苗生产、细胞治疗、基因编辑等，成为资本追逐对象。

合成生物是一门跨学科领域，横跨生物学、化学、物理、数学和计算机等多个领域，它的应用场景早已超越了医药领域，而开始广泛地向生物材料、生物能源、农业食品，甚至工业产品等领域转移。

当环境污染、气候变暖、资源短缺等全球问题日益严重的今天，合成生物为绿色和可持续发展提供了新的解决方案。在合成生物技术的介入下，汽油、柴油、塑料、橡胶、纤维及许多大宗传统石油化工产品，正不断被来自可再生原料的工业生物制造产品替代。高温、高压、高污染的化学工业过程，也正不断向条件温和、清洁环保的生物加工过程转移。

随着现代生物制造产业的加速形成与扩展，一个大规模的生物制造产业即将到来。通过合成生物技术赋能绿色工厂，或可以帮助工业制造业实现净零排放。

据 McKinsey 统计，生物制造的产品可以覆盖70%化学制造的产品，并在继续拓展边界。全球合成生物学领域有望快速成长，预计到 2025 年，合成生物学与生物制造的经济影响将达到1000亿美元。

今年2月份，《自然》杂志旗下的专业学术期刊《自然-生物技术》（Nature Biotechnology）发表一篇生物科技研究论文称，工程细菌可将工业污染中的气体排放(包括二氧化碳)转化为两种有用的化合物(丙酮和异丙醇)。该方法可替代现有利用石油或天然气生产的流程，提供了一种负碳排手段。

这种案例，对于我们了解合成生物在工业产品领域的运用或许有帮助。

图说：合成生物学的应用领域

来源：果壳硬科技，头豹研究院

01

工程细菌将二氧化碳转化为化学品

通过微生物发酵从非化石燃料来源生产各种化学品是一种很有前景的制造方法，它在食品产业被用于制造酸奶、啤酒和其他各种产品。该领域大多数工作依赖于发酵糖的微生物，但用糖作为原材料的成本高昂，而且生产过程提高了总体温室气体排放。

但某些微生物能够发酵气体——将二氧化碳之类的气体转化为更复杂的分子。这带来了一个机会，能把工业排放或生物和城市废弃物产生的废气转化为更有用的产品。

根据《自然-生物技术》刊登的这篇论文介绍，美国西北大学的研究人员基于 美国生物合成技术公司LanzaTech 的技术开发了一种高效的新工艺，该工艺使用一种名为产乙醇梭菌（Clostridium autoethanogenum）的工程细菌将废气（例如重工业排放物或生物质产生的合成气）转化为丙酮和异丙醇。

“这种创新由菌株工程和优化途径酶的无细胞策略引领，将生产时间缩短了一年半。”论文合著者、西北大学Michael Jewett教授表示。

科学家们采用了三管齐下的方法，包括途径筛选、菌株优化和工艺开发方面的创新。作为第一步，LanzaTech 筛选了近 300 株菌株，以获取可用于丙酮和异丙醇生产途径的酶。在确定了有用的菌株后，科学家们建立了一个组合 DNA 文库——这是此类微生物有史以来最大的一个——以寻找优化丙酮生产的酶变体。

然后利用尖端的合成生物学工具，包括西北大学的无细胞系统的原型设计、LanzaTech 的高级建模和 ORNL 的分子分析进一步优化。最后，扩大优化菌株的规模，实现了高达 3/g/L/h 的工业生产率，C1 气体可长时间（约 3 周）连续生产而不会降低性能。目前该工艺已扩大到工业中试规模，还有望简化生产其他有价值化学品的流程。

图说：从概念验证到工业水平推进从废气中生产丙酮和异丙醇的应用工具和策略概述

来源：Nature Biotechnology

02

可减少160%的温室气体排放

丙酮和异丙醇几乎随处可见，可用作燃料、织物和化妆品，是全球市场总和超过 100 亿美元的化学品。丙酮是许多塑料和合成纤维、稀释聚酯树脂、清洁工具和指甲油去除剂的溶剂。异丙醇广泛用作消毒剂和防腐剂，是世界卫生组织推荐的两种消毒剂配方之一的基础，可高效杀死 SARS-CoV-2 病毒。

这两种化学品被广泛使用，是数千种产品的基础，但它们是由化石燃料产生的，会排放导致气候变暖的 CO2。

据悉，这种新的发酵过程不仅可以去除大气中的温室气体，还可以避免使用化石燃料，而化石燃料通常是生产丙酮和异丙醇所需的。在进行生命周期分析后，该团队发现，如果广泛采用，与传统工艺相比，这种减碳平台可以减少160%的温室气体排放。

“不断加剧的气候危机，加上人口的快速增长，给人类带来了一些最紧迫的挑战，所有这些都与整个生物圈中CO2的不断释放和积累有关。” Michael Jewett教授表示。

“通过利用我们的能力，在可持续和可再生的基础上，与生物学合作，制造需要的东西，在需要的地方和时间，我们可以开始利用现有的二氧化碳来改变生物经济。”他补充说。

LanzaTech首席执行官Jennifer Holmgren说，“这一发现是避免气候灾难的重要一步。通过关闭碳循环，丙酮和IPA途径将加速其他新产品的开发，使其在多个行业的使用。”

LanzaTech 目前正在扩展这项技术，该技术可以嵌入到现有系统中，并在全球范围内部署使用。

03

合成生物是化工产品的未来

对于日益变暖的地球来说，这种方法是一个重要的途径，特别是在使用化石碳以外的其他潜在原料来源的情况下。例如，这些可能包括森林和农业残留物的气化，以及不可回收的城市固体废物。使用这种碳源，一系列其他产品，如喷气燃料或柴油，也可以采用类似的生产方法。

如果我们使用合成生物学通过乙酸菌生产所有的石化产品会怎么样？统计数据令人震惊。在全球范围内，化学制造业每年排放5亿吨二氧化碳，是二氧化碳排放量第三大的工业部门(仅次于水泥和钢铁)。众所周知，这些行业很难脱碳。微生物通过创造使用废物而不是糖作为原料的循环经济来使化学制造更加绿色，这可能是一个关键的进步。

微生物学和分子基因工程等学科的协同作用是“绿色”合成生物学的精髓。最近的其他例子包括通过基因改造为植物固定氮素的细菌，从而消除多余的化肥及其环境成本，以及通过基因改造使化学生产更绿色、更可持续的植物。

最近，Rothamsted Research的科学家对山茶花植物进行了基因工程改造，使其产生一种名为乙烯基苯酚的化学物质，这种化学物质是制造各种家用产品所需的，比如电视和手机LCD屏幕所用的塑料，这些产品传统上是由化石燃料制成的。种植茶树是为了获得它们的油籽，在这种情况下，对它们进行代谢工程改造，一方面可以收获油料，另一方面还可以产生所需的化学物质。这些工厂生产的材料既可以降低化学生产的碳足迹，又可以减少我们对化石燃料的依赖。

在“碳中和”的政策背景下，以合成生物学为基础，通过生物化工生产的产品有望颠覆化工产品。在原料端，生物化工主要以可再生资源作为原料，符合可持续发展的理念，并在某些产品领域缩短产业链长度，降低原材料成本占比和产品周期属性；在工艺端，对于某些特定的化学品，生物法大部分反应步骤均在微生物或酶的作用下进行，反应条件更温和、流程更简单，反应过程中的碳排放也更少；在后处理端，一方面合成生物学通过改造可以让微生物参与更多的废弃物治理，另一方面生物基材料因热塑性而方便回收利用，减少环境负担。

以一种不会对全球经济产生负面影响的方式打破化石燃料和制造业之间的联系，是实现碳中和的关键一步。我们预测，以碳中性(或负碳性)的方式为家用产品生产生物材料的基因工程细菌和植物将是未来方向。

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参考资料：

[1]https://geneticliteracyproject.org/2022/02/08/viewpoint-essential-to-feeding-the-world-synthetic-fertilizers-have-negative-environmental-impacts-heres-how-genetic-engineering-can-change-that/

[2]https://www.europeanscientist.com/en/features/green-factories-could-help-industrial-manufacturing-reach-zero-carbon-emissions-or-even-lower/

[3]https://www.sciencedaily.com/releases/2022/02/220221115409.htm

[4]华安证券：合成生物学——属于未来的生产方式

[5]果壳硬科技：用生物技术，再造工业生产

[6]财联社：细菌有助脱碳？新技术利用细菌将CO2转化为必需化工品

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