上海交通大學Nature Synthesis:光驅動CO2生物合成揮發、不穩定、光敏分子

一、【導讀】

? ?近年來，二氧化碳的高值化對碳中和及循環經濟至關重要，但它仍然是一個巨大的挑戰。基于光合微生物的光驅動合成生物學為碳固定與石化資源替代提供了一條有前途的途徑。然而，用于光合生物基因工程的分子工具和自動化工作流程遠遠落后于常用的工業菌株。此外，產物范圍受到固有因素的限制，例如，必要的氣體交換導致揮發性產物的快速逸出，以及光敏產物的光誘導分解等。而另一個主要問題是由內源性酶介導的目標產物的不良轉化，而在未充分開發的光合菌株中完全消除這種多余的活性是具有挑戰性的。目前還沒有解決這些長期存在局限的方法。因此，在解決上述問題的同時開發出一種通用的二氧化碳高值化策略來快速合成任何感興趣的化學物質將是目前這個領域的研究重點。

二、【成果掠影】

? ?近日，上海交通大學倪俊教授團隊報道一種時空分離的模塊催化策略，通過穩定的介導化合物實現固碳和細胞催化結合，將CO₂轉化為各種增值化學品。相關的研究成果以“Light-driven biosynthesis of volatile, unstable and photosensitive chemicals from CO₂”為題發表在Nature Synthesis上。

三、【核心創新點】

1、作者設計了一種廣泛適用的CO₂增值策略，即光合作用和休止細胞催化 （iPRCC）的整合。通過代謝網絡重構，固碳模塊的性能提高50 %，同時將雙相催化劑、多基因編輯、高通量工作應用于催化模塊制備烯烴、肉桂醛和姜黃素。這種結合的多模塊催化體系比單一催化體系的性能提高114倍。

2、通過擴大這種模塊催化體系的規模，實現了一種“即插即用”模式的生物煉制體系，并且能夠以g/L量級制備各種化學品。這種高效、負碳的路線極大地擴大了光驅動生物合成的范圍，有助于促進CO₂還原實現生物工業化。

四、【數據概覽】

圖1 用于生物制造的光驅動CO₂固定。?2023 Springer Nature

圖2 直接光合 CA 生產。?2023 Springer Nature

圖3 ?CO₂光合作用轉化為苯乙烯。?2023 Springer Nature

圖4 其他揮發性 α-烯烴的光驅動生物合成。?2023 Springer Nature

圖5 ?CO₂光合作用轉化為細胞內不穩定產物。?2023 Springer Nature

圖6 ?CO₂光合作用轉化為光敏產物。?2023 Springer Nature

圖7 通過 iPRCC 策略生產各種有價值的化學品的負碳生產。?2023 Springer Nature

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五、【成果啟示】

? ?綜上所述，作者提出了一種新型的iPRCC的模塊化策略，實現一個可行且具有潛在通用性的CO₂增值平臺。對于碳固定模塊，通過代謝網絡重塑顯著提高了CO₂固定率，并提出了光合作用系統中巧妙的自我調節機制。此外，由于與現有微生物細胞工廠的兼容性，雙模式工藝可以很容易地適應其他目標產品。這可能會促進光驅動合成生物學的進一步發展。光驅動生物制造提供的另一個關鍵好處是它的負碳足跡。使用CO₂代替糖作為初始原料，使生物合成與商品價格脫鉤。此外，不斷上漲的碳稅可能會促進這種負碳制造。因此，這項研究提出的廣泛適用平臺將促進CO₂減排的生物產業，以實現更可持續的未來。

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原文詳情： https://doi.org/10.1038/s44160-023-00331-5

本文由K . L撰稿。