全球首创！大肠杆菌变身环保小能手，高效吸收二氧化碳

全球首创！大肠杆菌变身环保小能手，高效吸收二氧化碳

生物固碳作为一种极具潜力的降碳方式，被寄予厚望。而光合作用，这一自然界中神奇的能量转换过程，一直以来都是科学家们研究的重要领域。如今，一项开创性的研究成果引起了广泛关注——中南林业科技大学教授刘高强科研团队联合江南大学教授刘立明科研团队，成功在大肠杆菌中构建了人工光合系统（人工叶绿体），这是人类首次在非光合微生物体内构建全新的人工光合系统。

为何选择大肠杆菌

在探索如何利用微生物实现更高效的生物固碳和绿色制造时，科研团队面临的首要问题是选择合适的微生物作为研究对象。在众多微生物中，大肠杆菌脱颖而出。

从大众认知角度来看，大肠杆菌常常被视为肠道中的致病菌，这种看法具有一定局限性。实际上，大肠杆菌是一种条件致病菌，只有少数在特定条件下才会致病。而在科研和工业领域，它有着独特的优势。大肠杆菌是被人类广泛用于大规模产品生产的工业微生物和模式微生物。人们对它的研究极为透彻，其细胞结构和功能、遗传信息等都已较为清晰。这使得科学家在对其进行基因编辑和代谢调控时更具把握。

在培养和应用方面，大肠杆菌能够大规模培养，成本相对较低。在生物制药领域，约超过30%的重组蛋白质药物是通过大肠杆菌表达生产的。不仅如此，它还能用于生产酸奶、氨基酸、乙醇、各种酶以及抗生素、疫苗等多种产品。江南大学刘立明教授团队此前围绕大肠杆菌作为底盘菌株也做了一定的研究，为后续在大肠杆菌中构建人工光合系统奠定了基础。基于这些因素，大肠杆菌成为了科研团队开展这项前沿研究的理想实验对象。

艰难的光反应构建之路

选定大肠杆菌后，科研团队面临的关键挑战是如何让原本不具备光合作用的大肠杆菌实现光合反应。光合作用主要包括光反应和暗反应两个重要阶段。光反应如同“发电站”，利用光能制造ATP和NADPH这两个能量分子；暗反应则类似“工厂”，利用光反应产生的能量分子固定二氧化碳。而构建光反应是整个研究的关键第一步。

天然光合细菌的光系统蛋白复合物结构与功能已被解析，其光合反应的核心蛋白为PufL。科研团队基于PufL内部结合着细菌叶绿素a这一特性，大胆猜想只要将PufL核心蛋白放置在大肠杆菌中，再让其与细菌叶绿素a的类似物结合，就有可能组成一个简易的光系统，实现捕获光能。

有了构想后，团队开始着手构建光反应模型。然而，实际操作过程困难重重。模型构建需要把核心蛋白组装到大肠杆菌的细胞膜上去，并使其固定下来，同时还要调控核心蛋白的表达强度，这一过程充满了不确定性，需要不断试错。

博士一年级就参与这项研究的童天，最初做了大量调研，满怀信心地认为能很快构建好光反应模型。但现实却给了他沉重打击，一次次实验失败，始终无法捕获光能。到了博士二年级后期，研究仍无进展，这让童天面临巨大压力，甚至一度想过换个研究方向。好在两位导师不断开导，让他坚持在反复调研最新文献中寻找思路。

转机出现在童天查阅中国科学院院士施一公、颜宁等团队的成果时，他们解析的光合细菌蛋白结构给了童天启发。童天发现大肠杆菌自身的跨内膜蛋白NuoK*，这种跨内膜蛋白能穿过细菌内膜，让一些特定物质进出细胞。更重要的是，将NuoK作为锚定蛋白时，它能利用自身机制以类似“穿针引线”的方式将PufL核心蛋白穿入到内膜中，并以“手拉手”的形式组成骨架蛋白复合物NuoK+PufL。

在此基础上，为了让光系统实现太阳能捕获，研究人员在大肠杆菌细胞中合成了一种细菌叶绿素a分子的类似物MgP，并将其以“搭桥”的方式连接到大肠杆菌细胞代谢途径上，从而成功构建了一个全新的光反应。正式发表的论文中，有主图8幅，附图多达51幅，这些图表是无数次失败后才摸索出来的成功实验结果，凝聚了科研团队的大量心血。

“小程序”实现智能生产与多样化产品制造

构建好光反应后，还需要将光反应与暗反应有效衔接，才能实现完整的光合作用过程。科研团队在大肠杆菌的细胞内设置了一个能量感受器和能量执行器，让二者构成一个基因回路，这就好比一个“小程序”，感受器和执行器均可根据接收到的信号做相应调整。

把光反应、暗反应和“小程序”组装起来，就形成了一个智能的全新光合系统。刘立明表示，如果不加“小程序”，光合系统依然能起作用，但功能单一，只能生产简单的产品；加了“小程序”后则可通过对其编程，生产不同产品。

目前，该团队研发的人工光合系统已经能够被编程为三种模式，可以生产丙酮、苹果酸和α-酮戊二酸三种产品，它们的负碳足迹达到-0.84~-0.23kgCO2e/kg产品。这意味着在生产这些产品的过程中，不仅不会产生碳排放，反而能够吸收二氧化碳，实现了真正意义上的“负碳”生产。

这项研究成果为生物智造领域带来了广阔的应用前景。从理论上讲，利用人工光合系统让非光合微生物进行光合作用，为未来生物制造提供了全新的思路和方法。通过在大肠杆菌中构建人工光合系统，实现了利用光能和二氧化碳等一碳底物合成多种产品，这一技术有望推广到其他微生物中，进一步拓展生物制造的边界。

科研团队未来计划尝试在酵母甚至大型药用菌等微生物中构建人工光合系统，让可大规模生产的微生物将光能转化为代谢能，再让代谢能发挥更大的生物制造效益。如果能够成功，将在医药、化工、食品等多个领域产生深远影响。

在医药领域，可能会开发出更绿色、高效的药物生产方式；在化工领域，有望实现一些传统化工产品的低碳甚至负碳生产；在食品领域，或许能为食品添加剂等的生产提供更环保的途径。

目前该系统仍处于实验室试验阶段，距离实际工业应用还有一定距离。系统元件配置、稳定性和产品生产工艺等还需要不断优化。在实际应用中，还需要考虑成本、规模化生产等诸多问题。如何降低合成细菌叶绿素a类似物等关键物质的成本，如何确保人工光合系统在大规模培养条件下的稳定性和高效性，这些都是需要进一步研究和解决的难题。