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两条新型人工固碳途径被成功构建，生物固碳的想象空间有多大？

花匠小妙招
2024-11-12 12:32

在全球气候变化的严峻背景下，二氧化碳的排放与固定转化成为了关乎人类未来的关键课题。生物固碳作为一种潜在的解决方案，正逐渐走入人们的视野，然而，其前行的道路并非一帆风顺，既充满了挑战，也孕育着希望。本文将深入剖析生物固碳的现状与未来，聚焦其面临的难题以及崭露的曙光。

一、生物固碳的现状与挑战

近年来，全球二氧化碳排放量持续攀升，形势愈发严峻。据权威数据统计，仅在 2023 年，全球能源相关的二氧化碳排放量就一举突破历史新高，达到了惊人的 374 亿吨。

这一数字的背后，是人类对化石能源的过度依赖以及工业活动的无序扩张。为了应对这一迫在眉睫的危机，全球 197 个国家于 2015 年共同签署了《巴黎协定》，誓言要在未来几十年内大幅削减温室气体排放，力求在 2050 年实现净零碳排放的宏伟目标。这一协定犹如一盏明灯，为全球共同应对气候变化指明了方向，标志着人类向低碳未来迈出了坚定的第一步。

两条新型人工固碳途径被成功构建，生物固碳的想象空间有多大？

自然界中虽存在着多种固碳途径，如卡尔文循环、还原性 TCA 循环、WL 途径等，但它们在实际应用中却暴露出诸多难以克服的局限性。首先，固碳酶的活性普遍较低，这意味着它们在捕捉和转化二氧化碳的过程中效率欠佳。

例如，某些关键的固碳酶在单位时间内所能固定的二氧化碳量远远无法满足大规模减排的需求。其次，与氧气的副反应问题严重，这不仅导致固碳效率大打折扣，还增加了反应的复杂性和不确定性。再者，部分固碳酶对氧气极为敏感，稍有氧气介入就会使其活性受到抑制，进一步限制了其在常规环境中的应用。

此外，天然固碳途径往往结构复杂，涉及众多的酶和生化反应，且难以进行异源表达和纯化，这无疑增加了其在实际应用中的难度和成本。

以卡尔文循环为例，虽然它是植物光合作用中最常见的固碳途径，但其中的关键酶如核酮糖二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco），其固碳效率相对较低，且容易与氧气发生反应，影响固碳效果。据研究估计，Rubisco 的固碳速率在理想条件下也仅为每秒固定约 3 - 10 个二氧化碳分子。

尽管生物固碳在理论上具有广阔的应用前景，但其产业化道路却布满荆棘。在下游应用方面，微生物固碳虽能通过不同的代谢途径合成各类有价值的化学品，如生物柴油、生物塑料和生物医药等，但在大宗化学品的工业化生产中，却面临着一系列棘手的问题。

首先，产物浓度和生产强度的要求极为苛刻。对于大宗化学品的工业化生物制造而言，产物浓度通常需要达到每升上百克，生产强度至少在 2 克/(升·小时)以上。然而，目前主流的自养微生物，如蓝细菌、微藻等，其代谢物质的生产强度大多仅为克/(升·天)级别，远远无法满足工业化生产的需求。以蓝细菌为例，其生产生物燃料的速率通常仅为每天每升几克，与工业化生产要求相差甚远。

其次，高昂的生产成本成为了产业化的巨大障碍。由于生产效率低下，导致设备投资、原材料消耗和运营成本大幅增加，使得生物固碳产品在市场上缺乏竞争力。据行业分析报告显示，当前生物固碳生产某些化学品的成本比传统化学合成方法高出数倍甚至数十倍。

再者，技术的不成熟和市场的不确定性也让投资者望而却步。虽然近年来涌现出了一批初创公司，但真正能够实现规模化量产的屈指可数。以 LanzaTech 为例，作为二氧化碳生物转化领域的先行者，尽管其掌握了核心技术，并成功在纳斯达克上市，但股价表现不佳，业务盈利能力和资本市场的认可度仍有待进一步提升。此外，在产业合作模式中，拥有大量碳排放的上游企业，如石油、化工等，往往凭借其资源和资金优势占据主导地位，掌握着更多的话语权和价值分配权，使得初创企业在竞争中处于劣势，生存空间受到挤压。

二、人工固碳新途径的突破

在生物固碳领域的探索中，罗姗姗博士凭借其卓越的智慧和不懈的努力，取得了令人瞩目的成就。她长期专注于利用合成生物学重新构建光合作用，致力于设计并构建高效的人工固碳途径。

在博士和博士后期间，罗姗姗成功构建了两条具有创新性和高效性的人工固碳途径：rGPS-MCG 循环和 THETA 循环。rGPS-MCG 循环作为世界上成功构建的第二条耐氧人工 CO₂ 固定途径，展现出了非凡的性能。在实验中，该循环能够在体外持续运行 6 小时以上，其固碳速率甚至超越了许多典型的光合或自养生物。例如，与常见的植物光合作用相比，rGPS-MCG 循环在相同时间内能够固定更多的二氧化碳。

THETA 循环则通过一系列的理性优化和机器学习方法，实现了产量的显著提升。经过精心的研究和改进，其产量相较于初始版本提高了两个数量级之多。不仅如此，THETA 循环在向活细胞应用的探索中也迈出了关键的第一步，为未来在生物体内实现高效固碳奠定了基础。

在生物固碳的过程中，能量的有效供应和转化是至关重要的环节。长期以来，如何将外部能量，特别是电能，高效地转化为生物体内可利用的形式，一直是困扰科研人员的难题。罗姗姗博士在这一领域取得了突破性的进展，她成功设计了合成电生物模块——AAA 循环。

两条新型人工固碳途径被成功构建，生物固碳的想象空间有多大？

AAA 循环能够将电能直接转化为 ATP（三磷酸腺苷），为无细胞系统提供稳定而持续的能量支持。这一创新的模块具有结构简洁、效率高和稳定性强等优点。与传统的能量转化方法相比，AAA 循环无需复杂的膜结构，仅由 3 - 4 种酶组成，大大降低了系统的复杂性和成本。

在实际应用中，AAA 循环展现出了强大的功能。它不仅能够为简单的生物过程提供能量，还能够驱动更为复杂的生物反应，如从 DNA 合成 RNA 和蛋白质等。这一成果为生物固碳以及其他生物合成过程提供了全新的能量解决方案，极大地拓展了生物固碳技术的应用前景。

德国马克斯·普朗克陆地微生物研究所的 Tobias J. Erb 教授团队与罗姗姗的紧密合作，在人工固碳途径的研究中取得了重要的阶段性成果。他们共同设计的 THETA 循环，在体外构建和优化方面取得了显著进展。

通过精心的实验设计和优化，研究团队成功解决了 THETA 循环在体外构建过程中遇到的一系列问题，如酶的副反应、限速步骤的优化等。经过不断的改进和完善，THETA 循环的性能得到了大幅提升，为其在体内的应用打下了坚实的基础。

将 THETA 循环以模块化的方式植入大肠杆菌中，是这一研究的又一重大突破。尽管目前尚未实现完整的体内运行，但这一尝试为未来在活细胞中构建复杂且高效的人工固碳途径提供了宝贵的经验和借鉴。这一研究成果不仅在学术领域引起了广泛关注，也为生物固碳技术的实际应用指明了方向。

三、生物固碳的未来展望

（一）技术发展的关键方向

展望未来，生物固碳技术的发展仍需聚焦于解决一系列核心问题，以实现更高的转化率和利用率。在酶的研究方面，深入发掘新型高效的固碳酶，并对现有酶进行精准的改造和优化，将是提升固碳效率的关键。例如，利用基因编辑技术对关键酶的基因进行修饰，以提高其活性和稳定性。

代谢路径的构建也是重点之一。通过合理设计和组合不同的生化反应，构建简洁高效的固碳代谢途径，减少能量损耗和中间产物的积累。同时，精准选择和培育适应特定固碳途径的菌种，提高其生长速度和固碳能力。

此外，积极探索多学科交叉的创新方法，如光-酶与电-酶协同催化、细菌/酶和无机/有机材料等复合二氧化碳转化系统，有望打破传统固碳技术的局限，实现固碳效率的质的飞跃。

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（二）产业化推进的策略与途径

为了推动生物固碳技术从实验室走向大规模产业化应用，需要采取一系列综合性的策略和措施。首先，加强产学研之间的紧密合作至关重要。科研机构应与企业建立长期稳定的合作关系，共同开展技术研发和应用推广。例如，高校和科研院所可以与企业合作建立联合实验室，针对产业需求开展定向研究。

加大研发投入是关键。政府和企业应共同设立专项基金，支持生物固碳技术的基础研究和应用开发。同时，鼓励社会资本参与，形成多元化的投资格局。

在生产工艺方面，不断优化和创新是降低成本、提高效率的核心。通过改进发酵工艺、提高设备利用率和产品回收率等手段，提升生物固碳的产业化水平。此外，建立完善的政策支持体系和市场机制，为生物固碳产业创造良好的发展环境。政府可以出台税收优惠、补贴政策等，鼓励企业开展生物固碳项目。同时，加强国际间的合作与交流，借鉴先进的技术和管理经验，共同推动生物固碳技术的发展和应用。

四、结语

生物固碳领域犹如一座待开发的宝藏，既充满未知的挑战，也蕴含无尽的可能。人工固碳新途径的开拓为我们展现了美好的前景，但要将其转化为切实可行的大规模应用和产业化成果，尚需科技界、产业界以及政策制定者们的协同努力和持续探索。相信在不远的将来，生物固碳必将在全球碳中和的征程中发挥举足轻重的作用，为人类创造一个更加绿色、可持续的未来。