合成生物学助力碳中和：新底盘、新策略与新技术

孙韬，张卫文，胡章立，元英进

（1天津大学化工学院，天津 300072；2天津大学生物安全战略研究中心，天津 300072；3教育部系统生物工程重点实验室和合成生物学前沿科学中心，天津 300072；4深圳大学生命与海洋科学学院，广东 深圳 518055；5广东省海洋藻类工程技术研究中心，广东 深圳 518055）

2020年9月22日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会上宣布：中国力争2030年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和目标。“双碳”目标既体现大国担当，又为构建人类命运共同体贡献了中国智慧。除了传统的植树造林外，未来实现碳中和，更需：①借助光伏、风电等技术，实现清洁发电；②用新工艺、新设备提高煤等传统能源的使用效率；③通过催化工艺，将二氧化碳转化为有用的产品和资源；④技术加持能源结构转型［1］。其中，CO2的转化代表着其资源化再利用和绿色制造的新方式，既能减少CO2的总量，又能变废为宝。2021年4月，中美双方联合发表的《中美应对气候危机联合声明》中同样包含“碳捕集利用和封存”的相关内容［2］，再次表明CO2转化对碳中和的重要作用。为促进CO2转化，我国科技部在“十三五”“十四五”国家重点研发计划部署的“合成生物学”“绿色生物制造”等重点专项中，多个项目聚焦CO2的高效利用和转化，表明对这一问题关键性的顶层认可。

CO2是自养生物尤其是光合自养生物的天然碳源，每年经由光合作用约有2580亿吨CO2被固定为有机物，展示了光合作用的巨大能力。而合成生物学的快速发展则赋予了CO2转化的无限可能。2009年，美国James C.Liao团队在光合聚球藻中实现了CO2到异丁醇和异丁醇的转化［3］，引领了CO2转化为生物燃料和化学品这一研究方向，随后各种转化技术如雨后春笋般出现［4-6］。2022年2月21日，碳回收公司LanzaTech和美国西北大学的研究人员合作，利用合成生物学改造一种梭菌（Clostridium autoethanogenum），可将包含CO2在内的工业废气转化为两种有用的化合物——丙酮和异丙醇，以一个工业规模的先导性试验实现了化学品的负碳制造［7］。除了生物固碳，光电无机催化CO2转化为一碳化合物如甲酸、甲醇等日益成熟［8-9］，合成生物学作为一个交叉学科，越来越多的新型生物-无机固碳方式得以实现，我国科研团队先后完成了从CO2到淀粉、脂肪酸等合成的重大突破［10-11］，为CO2转化拓宽了思路。必须注意的是，一方面现有的合成生物学驱动的CO2转化效率和能力仍需提升，另一方面产学研相结合才能真正促进相关技术的应用，切实让合成生物学助力碳中和的实现。为此，本刊汇集领域内一线专家，聚焦新底盘、探索新策略、汇总新技术，从多个角度总结CO2转化的现有进展并论述在未来提升CO2转化效力的可行方案。

植物每年所固定的碳约占大气中碳总量的20%，在生态碳汇中发挥重要作用。因此，围绕植物底盘积极开展碳减排技术研发和创新，可提高生态碳汇能力。为此，中国科学院分子植物科学卓越创新中心朱新广团队［12］系统总结了近年来在多个植物底盘中逐步建成并完善的标准化元件体系、基因线路的设计以及定向进化等合成生物学技术，创造性提出建立数字植物（ePlant）实现对植物全方位生命活动的模拟来指导其改造的理念。而针对具体改造的靶点、途径，河南大学张立新团队［13］着重讨论了如何提高Rubisco酶的羧化活性、引进CO2浓缩机制、降低光呼吸等几个方面，提出通过合成生物学对光合作用碳同化模块进行设计、改造、优化和重组，以提升植物的固碳能力。对此，中国科学院天津工业生物技术研究所赵磊团队［14］则突破常规，系统分析评价了不同途径的CO2固定能力和限制因素，由此探讨了人工设计、合成植物CO2代谢通路的可能性，进而讨论了基于零碳排放的新型物质生产策略。中国科学院微生物研究所李寅团队［15］则总结天然固碳途径改造和人工固碳途径设计合成方面取得的进展，重点讨论了人工生物固碳过程中的还原力和能量输入问题，以期提升固碳的效率。

相比植物底盘，光合微生物如微藻和蓝细菌等，生长速度更快且更易基因操作，近些年来利用合成生物学已经实现了从CO2到数十种化学品的转化［16］，因而对促进碳中和同样具有巨大潜力。由于现阶段微藻相关遗传操作工具不够完善，南京工业大学赵权宇团队［17］认为可借助并优化传统的定向进化策略，深入挖掘耐受基因、光合和活性组分生物合成的元件，为微藻基因改造打下基础。为促进微藻的进一步开发和利用，河南大学王强团队［18］总结了微藻作为细胞工厂生产平台化合物、生物能源和高附加值化合物的途径、底盘改造策略等最新进展，提出微藻亟需从建立标准化的基因组编辑技术、理解合成物质的代谢流和控制机制、提高生物量及光合作用效率等几个环节进行攻关。对此，中国科学院青岛生物能源与过程研究所吕雪峰团队［19］形象地提出了“拆盲盒”“挤海绵”“动刀子”三种策略来应对微藻光驱固碳合成技术在应用中面临的挑战；而深圳大学胡章立团队［20］则重点针对光合作用过程，提出通过外源代谢途径的导入和背景代谢网络的改造，设计构建微藻高效固碳工程株的技术流程。另一方面，针对蓝细菌，上海交通大学陶飞团队［21］从碳固定、光能捕捉和生物多样性的层面讨论了其代谢潜能并系统地总结了基因编辑、适应性进化、多元抗逆和光驱动细胞工厂这些蓝细菌合成生物学的热点研究领域近期的重要研究进展。为促进蓝细菌底盘的进一步改造，天津大学张卫文团队［22］归纳了蓝细菌中的双组分信号转导系统、调控小RNA和σ因子等主要调控系统，提出可通过调控工程来提高底盘鲁棒性、优化产品生产等。

除了光能细胞外，部分电能细胞也可进行CO2转化，天津大学宋浩团队［23］聚焦近五年电能细胞合成生物学改造，通过分析双向电子传递的分子机制，分类汇总产电细胞和噬电细胞的合成生物学改造策略。不同于传统的生物固碳，非生物系统的CO2光电催化、酶催化等新技术不断发展，有望大幅简化CO2固定过程并提升其转化效率。对此，中国科学院天津工业生物技术研究所朱之光团队［24］总结了酶促生物电催化技术在酶燃料电池、生物传感器、化学品酶电合成等合成生物学相关领域的前沿应用。而西湖大学曾安平团队［25］围绕近期James C.Liao团队利用人工设计开发的新型多酶复合分子机器建立的CO2固定的闭合循环反应-还原型乙醛酸-丙酮酸合成路径展开讨论，聚焦辅因子工程以及利用多酶分子机器固定CO2所面临的挑战。

“双碳”目标是我国统筹国内国际两个大局作出的重大决策，也是实现中华民族永续发展的必然选择。合成生物学推动的CO2转化有助于加快形成绿色制造方式，历经底盘、策略与技术的持续革新，相信通过我国合成生物学界同仁的共同努力，无论是基于光能细胞、电能细胞还是无机、生物-无机的CO2转化，都将不断提升效力，最终助力国家碳中和目标的实现。