催化学报 ›› 2026, Vol. 82: 251-265.DOI: 10.1016/S1872-2067(26)64977-7

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光驱动CO2固定生物系统直接合成多碳化学品

李莹莹1, 张健1, 陶雨萱, 柴甜甜, 赵春雷, 陈修来*()   

  1. 江南大学生物工程学院, 工业生物技术教育部重点实验室, 江苏无锡 214122
  • 收稿日期:2025-07-18 接受日期:2025-10-10 出版日期:2026-03-18 发布日期:2026-03-05
  • 通讯作者: * 电子信箱: xlchen@jiangnan.edu.cn (陈修来).
  • 作者简介:1共同第一作者.
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(22378166);江苏省合成生物基础研究中心基础研究计划(BK20233003);中央高校基本科研业务费专项资金(JUSRP622001);江苏省研究生科研与实践创新项目(KYCX25_2707)

Light-powered CO2 fixation biosystem for the direct biosynthesis of multi-carbon chemicals from CO2

Yingying Li1, Jian Zhang1, Yuxuan Tao, Tiantian Chai, Chunlei Zhao, Xiulai Chen*()   

  1. School of Biotechnology and Key Laboratory of Industrial Biotechnology of Ministry of Education, Jiangnan University, Wuxi 214122, Jiangsu, China
  • Received:2025-07-18 Accepted:2025-10-10 Online:2026-03-18 Published:2026-03-05
  • Contact: * E-mail: xlchen@jiangnan.edu.cn (X. Chen).
  • About author:1 Contributed equally to this work.
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(22378166);Basic Research Program of Jiangsu and Jiangsu Basic Research Center for Synthetic Biology(BK20233003);Fundamental Research Funds for the Central Universities(JUSRP622001);Postgraduate Research & Practice Innovation Program of Jiangsu Province(KYCX25_2707)

摘要:

目前, 随着人口增长和产业转型的发展, 二氧化碳(CO2)等温室气体的排放急剧增加, 对环境造成了严峻的挑战. 基于CO2转化的可持续生物制造, 不仅有助于减轻全球对化石燃料的依赖, 而且有助于实现绿色经济. 然而, CO2的生物转化仍受到多种因素的限制, 包括: CO2固定途径效率不高、生物转化系统中还原力与能量再生能力不足以及产物种类单一等. 因此, 开发可持续的生物固碳系统, 实现CO2的高效资源化利用, 有助于推动绿色生物制造的可持续发展, 已成为当前研究领域的热点方向.

本文通过将人工设计的CO2固定途径与天然类囊体膜(TKs)相耦合, 构建了一种光驱动的CO2固定生物(LCFB)系统, 用于将CO2直接转化为多样化的多碳化学品, 包括: 醇类、醛类、有机酸和氨基酸. 首先, 通过代谢逆合成的方法, 结合乙醛脱氢酶(ADH)、丙酮酸脱羧酶(PDC)、苹果酸酶(ME)、苹果酸激酶(MTK)和苹果酰辅酶A裂合酶(MCL)的催化功能, 构建了一条固定CO2合成乙醛酸的丙酮酸脱羧酶/苹果酸酶(PM)循环. PM循环可以将两分子CO2转化为一分子乙醛酸, 同时消耗两分子NADH和一分子ATP. 通过路径关键酶的挖掘与筛选, 结合路径模块化重构与优化, 并利用13C同位素示踪技术证明了PM循环的有效性. 其次, 为满足PM循环对能量和还原力的需求, 构建了一种基于天然TKs的光驱动能量和还原力再生引擎. 通过分离、筛选和对比不同植物来源的TKs, 发现菠菜的TKs具有最佳的能量和还原力再生性能, ATP和NADPH的再生速率分别为1.87和2.5 μmol L-1 min-1 μg-1 Chl. 因此, 基于PM循环和菠菜TKs, 组装构建了LCFB系统, 用于光驱动CO2固定合成乙醛酸, CO2固定速率达到了2.37 nmol min-1 mg-1蛋白. 最后, 为了拓展LCFB系统的终端产物种类, 进一步设计与重编程了LCFB系统. 通过将LCFB系统分别与C2, C3和C4回补途径相结合, 构建了光驱动的PM-C2, PM-C3和PM-C4途径, 并以“即插即用”的模块化策略, 成功实现了利用CO2直接生物合成多样化的多碳化学品, 包括: 醇类(如: 乙醇酸)、醛类(如: 乙醇醛和酒石酸半醛)、有机酸(如: 乙醛酸、丙酮酸、甘油酸、草酰乙酸和苹果酸)以及氨基酸(如: 甘氨酸和丝氨酸).

综上, 本文通过构建可编程的光驱动LCFB系统, 成功实现了利用CO2直接生物合成多样化的多碳化学品, 不仅为构建碳负性多功能生物合成平台提供了新的思路, 而且为未来拓展光合系统的应用范围奠定了基础, 对推动可持续生物制造的发展也具有重要意义.

关键词: 合成光合作用, 光能, CO2固定, 生物制造, 多碳化学品

Abstract:

Sustainable biomanufacturing depending on CO2 conversion contributes to mitigate global dependence on fossil fuels and accelerate a future green economy. However, CO2 conversion is limited by inefficient CO2 fixation pathways, deficient capacity for regenerating reducing power and energy, and narrow product scope. Here, a light-powered CO2 fixation biosystem (LCFB) was developed by coupling a new-to-nature Pyruvate decarboxylase/Malic enzyme (PM) cycle for CO2 fixation with natural thylakoid membranes for regenerating energy and reducing power. This synthetic LCFB was able to convert CO2 to organic molecules at a rate of 2.37 nmol min-1 mg-1 proteins comparable to that of natural CO2 fixation system. Further, LCFB was programmed to extend the length of carbon chain for outputting multi-carbon chemicals by designing and constructing multiple anaplerosis CO2 fixation pathways in a plug-and-play fashion. Finally, the programmed LCFB powered by light facilitated the direct biosynthesis of multi-carbon chemicals from CO2, such as alcohols, aldehydes, organic acids and amino acids. This study presented here brings a potential avenue for developing a carbon-negative versatile platform to widen the applicability of LCFB and advancing sustainable biomanufacturing in the future.

Key words: Synthetic photosynthesis, Light-powered, CO2 fixation, Biomanufacturing, Multi-carbon chemicals