中科院微生物所創建最小化的人工固碳循環

工業快速發展導致二氧化碳等溫室氣體排放不斷增加，促使各國政府加速開發二氧化碳捕集利用技術，力爭早日實現“碳中和”。其中，設計和創建具有高效生物固碳能力的酶、生化途徑、工程生物或微生物組，已成為合成生物固碳領域的國際研究熱點。

在自然界中，植物和微生物可利用六條天然固碳途徑將二氧化碳轉化為有機物，其中最為人熟知、可能也是最重要的途徑，就是以1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶（Rubisco）為核心固碳酶的卡爾文循環。為突破天然固碳途徑的低效率，2016年和2021年，Science雜志先后報道了人工設計的非天然固碳途徑CETCH循環（由德國馬普陸地微生物研究所完成）和ASAP途徑（由中國科學院天津工業生物技術研究所完成），可在無細胞系統中將二氧化碳分別轉化為乙醛酸和淀粉。

這些天然和人工固碳途徑的共同特點是比較長，一般包含十步以上的生化反應。一般情況下，生化途徑的反應步驟越多，整體效率就越低。然而，生物固碳途徑必須由很多反應步驟組成嗎？能否設計一條比天然固碳途徑反應數更少的人工固碳途徑？如果能設計出來，這樣的人工固碳途徑需要在怎樣的條件下運轉，能夠達到多高的固碳效率？

針對這些問題，研究人員基于生化反應熱力學和動力學計算，設計了一個全新的最小化的人工固碳循環。這個循環只包含四步反應，分別由丙酮酸羧化酶（PYC）、草酰乙酸乙酰基水解酶（OAH）、乙酸-CoA連接酶（ACS）和丙酮酸合酶（PFOR）催化，所以被命名為POAP循環（見下圖）。在四步反應中，由丙酮酸合酶和丙酮酸羧化酶催化的這兩步反應均為固碳反應。POAP循環每運行一輪，可以轉化兩分子二氧化碳生成一分子草酸，消耗兩分子ATP和一分子還原力。

在POAP循環的四步反應中，最關鍵和最難實現的是由丙酮酸合酶（PFOR）催化的還原羧化反應。正常情況下，我們在生物體內能夠普遍觀察到的反應是PFOR催化丙酮酸氧化脫羧并釋放二氧化碳。而實現POAP循環，需要把PFOR催化的氧化脫羧反應逆轉過來，即催化乙酰輔酶A還原羧化生成丙酮酸。這個還原羧化反應在熱力學上不利，需要較大的還原力來推動反應的發生。因此，研究人員考慮在厭氧條件下利用低電勢的電子供體提供足夠的還原力來驅動反應。

通過合成并測試一系列低電勢的電子供體鐵氧還蛋白（Ferredoxin，Fd），研究人員發現來源于Hydrogenobacter thermophiles的Fd2對PFOR的還原羧化反應具有較強的推動作用。以Fd2作為電子供體，可以驅動熱纖梭菌（Clostridium thermocellum）來源的異型四聚體丙酮酸合酶實現乙酰輔酶A的還原羧化。這也是異型四聚體的丙酮酸合酶首次在體外實現還原羧化反應。

研究人員通過進一步的合成測試，獲得了構建POAP循環所需要的其他三個酶PYC、OAH和ACS。然后采用先分別構建POAP半循環、再將兩個POAP半循環整合在一起的策略，構建了具有功能的POAP循環。以13C標記的碳酸氫鈉為底物進行測試，成功檢測到POAP循環的產物13C標記的草酸，并測定出POAP循環的二氧化碳固定速率為8.0 ± 1.8 nmol CO2/min/mg固碳酶，草酸的轉換數為5 摩爾/摩爾POAP循環酶，固碳效率較高。

理論上，構成一個最小固碳循環需要三步反應。POAP循環只含有四步反應，已經接近理論最小值，也是目前經過實驗證實的最小化的人工固碳循環。由于途徑短，在PFOR活性遠遠低于CETCH循環固碳酶活性的情況下，POAP循環的二氧化碳固定速率仍然超過了含有十二步反應的CETCH循環。POAP循環可以在厭氧和較高溫度（50°C）下實現二氧化碳固定，它為了解和研究地球早期生物如何進行二氧化碳固定提供一個新的模型，也為二氧化碳的人工生物轉化提供了一條新的可選途徑。

該研究歷時近五年完成，并于2021年12月28日在線發表于國際學術期刊ACS Catalysis，題為“A Minimized Synthetic Carbon Fixation Cycle”。中國科學院微生物研究所博士研究生肖璐為論文第一作者，李寅研究員為通訊作者。該研究得到了中國科學院戰略性先導科技專項預研項目、中國科學院重點部署項目等項目的資助。