科学家回顾过去十年人工生物系统发展取得的进展

化石燃料是大多数人类活动的核心，导致温室气体排放增加和大气二氧化碳 (CO 2 ) 水平不断上升。预计未来CO 2水平将呈指数级增长，从而对环境和生态造成严重影响。在这场混乱中，希望的灯塔是化石燃料的环保替代品。

可以使用先进的生物技术开发绿色能源。其中一种干预措施是使用生物精炼厂或微生物细胞工厂，将生物质(植物和固体废物等有机物)转化为能源和有价值的副产品。第一代 (1G) 和第二代 (2G) 生物精炼厂分别利用糖基原料和生物质生产生物燃料和有价值的化学品。第三代 (3G) 生物精炼厂现在变得越来越受欢迎，旨在从一碳 (C1) 来源生产有益产品，例如 CO 2、甲醛 (HCHO)、甲酸 (HCOOH)、甲烷 (CH 4 ) 和甲醇 ( CH 3 OH)。为什么选择 C1 源?C1 源通过化学键断裂、电力和/或自然光产生可持续能源。

在一项新的研究中，中国西湖大学的王亚杰教授及其同事钟伟和李海龙回顾了过去十年在 3G 炼油厂人工生物系统开发方面取得的进展。他们的研究结果于 2023 年 10 月 31 日发表在《BioDesign Research》第 5 卷上。 王教授表示：“这项有前途的技术代表着可持续发展的重要一步，它可以帮助解决现代社会一些最紧迫的环境挑战。然而，为了与石油工业竞争，确定最可行的 C1 利用途径以及目标产品的生产率和产量至关重要。”

作者讨论了利用 C1 的三个重要的人工系统，即人工自养生物、串联酶系统和化学生物混合系统。这些系统要么是基于自然系统重建的，要么是从头开始创建的。

微生物大多是异养生物，即它们依赖外部来源获取食物和能量。然而，随着生物技术的进步，异养生物现在可以改造为化能自养生物，从 C1 等化学物质的分解中获取能量。几种微生物，包括细菌和酵母菌，例如大肠杆菌、巴斯德毕赤酵母、酿酒酵母和博伊丁假丝酵母，已被修饰以产生天然 C1 利用途径的酶和辅因子，这是它们原本不具备的。然而，能量不平衡、氧敏感性和酶活性差一直是利用高效化能自养生物发展 C1 的主要限制。

串联酶系统将多种酶结合在一起，共同发挥 C1 固定作用。不同的科学家在不同的微生物中独立开发了许多人工C1固定途径。最值得注意的进展之一是 CETCH(巴豆酰辅酶 A/乙基丙二酰辅酶 A/羟基丁酰辅酶 A)途径，其性能优于化学和自然固定途径。尽管理论上这些系统声称可以最大化产量，但存在一些限制，例如需要纯化的酶和良好控制的反应条件。

化学-生物混合系统将微生物酶或全细胞等生物催化剂与电催化和/或光催化系统相结合，从CO 2合成增值化合物。与传统的酶促过程相比，这些系统具有多种优势，例如使用可再生能源、高能量转换效率以及具有不同选择性和特异性的广泛生物催化剂。根据系统的组合，有多种类型的混合体可以固定 C1-电酶系统、电微生物系统、光酶系统和光微生物系统。

在预见到人工生物系统非常有前景的同时，亚杰教授热情地表示：“创建一个可以利用C1源的人工生物系统是一项有影响力的研究尝试，因为它们来源丰富，具有可持续和碳中性生产的潜力，而且缺乏足够的资源。”与粮食安全的冲突。”

总而言之，随着生物技术的不断进步，人工生物系统将迎来可持续能源的新时代。