集三域生物之力，合成一條高效的固碳通路

要說在迄今為止已經發現的100餘種元素中，哪一個能夠深刻的改變地球的面貌和人類社會的發展，這一殊榮非碳莫屬。作為一切有機物的骨架元素，碳元素造就了五彩斑斕、生機盎然的生物圈，碳基生命的存在讓地球從36億年前擺脫了死寂和荒蕪，並最終誕生了人類文明。而維持人類文明運行的衣、食、住、行等物質基礎，無不是直接或間接在利用含碳化合物。就連推動人類發展的能源，目前依然需要大量的碳。

不過，我們所能直接利用的物質和能源，無論是食物還是石油，都是處於固定狀態的碳元素。無論是經過生物的新陳代謝，抑或是工業的燃燒，它們最終都會形成非固定狀態的碳——二氧化碳，並進入大氣當中。

點擊播放 GIF/792K

每次呼吸，我們的身體都在將固定狀態的碳元素轉化成非固定狀態，向大氣中排出二氧化碳。圖片來源：tumblr.com

二氧化碳本身是大氣的正常組成部分，也是連接有機態碳和無機態碳（如碳酸鹽等）的中間物質。在自然界中，長期的演化產生了多種將二氧化碳轉化為固定的形式的有機物的途徑，而擁有這些途徑的生物，被稱為「自養生物」。

在這些途徑中，最為人們所熟知的，就是綠色植物光合作用中的二氧化碳同化過程。全世界的植物通過光合作用，每年能夠固定超過一千億噸的二氧化碳。它們將二氧化碳轉化為儲存著來自太陽能量的物質——糖類，再以澱粉、纖維素等形式，被包括我們人類在內的其他生物所使用。

二氧化碳濃度升高，光合作用也擋不住了

然而，隨著人類社會的發展，大量化石燃料的燃燒使得大量原本處於固定狀態的碳進入大氣，從而逐漸提高大氣的二氧化碳濃度，進而導致了包括溫室效應在內的全球性環境問題。單憑植物自身的固碳作用，已經無法保證大氣中二氧化碳含量的穩定。

在生物體內，二氧化碳的固定過程本質上是由多個酶「接力」進行的一系列酶促反應。其中最為關鍵的，是尋找一個合適的物質作為「接受者」來結合二氧化碳，並隨之開啟下一步的反應。並且在得到最終產物之後，這個「接受者」又能夠恢復到原本的樣子，從而完成一個固定碳的循環。在植物中，這一過程被稱為「卡爾文循環」：

在卡爾文循環中，充當「接受者」的1,5-二磷酸核酮糖（Ribulose-1,5-disphosphate，RuBP）。由於接受二氧化碳是一個羧化過程，催化這一步反應的酶被稱為RuBP羧化酶（RuBisCO）——作為二氧化碳固定中最為關鍵的酶之一，RuBisCO實際上是地球上總量最大的一種蛋白質。

然而，演化並非盡善盡美。RuBisCO儘管被絕大多數植物選擇作為碳固定中的第一個羧化酶，但它依然存在效率偏低、而且容易發生氧化反應的缺陷，這限制了碳固定效率的提高。

那麼，人類是否能夠模仿自然界中存在的固碳過程，來發展出一套人工的固碳通路呢？答案是肯定的。就在今天的《科學》雜誌上，一組來自德國的科學家們，就利用合成生物學在細菌中重建了一套全新的人工固碳通路[1]。

取材三域，打造一條高效的碳固定通路

為了找到比RuBisCo表現更好的羧化酶，科學家們對所有已知的羧化酶系進行了生物化學和酶動力學檢測。最終，他們將目光集中在了一類來源於α-變形菌及鏈黴菌體內的、烯醯輔酶A依賴的羧化/還原酶（ECRs）體系上。相比於RuBisCo，ECRs能夠專一且高效的催化二氧化碳的固定，效率達到前者的2-4倍。經過進一步篩選，他們將ECRs中的巴豆醯-輔酶A羧化/還原酶（CCR）確定為人工固碳過程的第一個催化酶。而充當二氧化碳「接受者」的分子，則就是巴豆醯-輔酶A。

當然，確定了起始的羧化酶和接受二氧化碳的分子，只是走出了第一步。隨後還需要有一系列還原酶、脫氫酶類參與，來執行後續的二氧化碳固定和巴豆醯-輔酶A的還原過程。藉助與第一步類似的方法，科學家們如湊齊七龍珠一般，在9種不同的生命體中找到了完成整個過程所需的17種酶類。這9種生命體，分別來源於整個生物界的三大域——古菌域、真細菌域和真核域，真可謂是集生物界的「精華」於一體。

不過，人們還是不滿足於「拿來主義」。自然演化而成的這些酶類，依然有值得改造和提升的空間。例如在固碳循環中起到脫氫作用的甲基琥珀醯輔酶A脫氫酶（Mcd）的效率，就不太盡人滿意，成為了反應中的限制步驟。因此科學家們又操起了基因工程這把「手術刀」，修改了Mcd中的三個氨基酸，將其轉化為可以直接用氧氣分子作為氫受體的甲基琥珀醯輔酶A氧化酶（Mco）。這樣大大加快了這一過程的反應速率。

在自然界中，已知的生物固碳的通路有6種。科學家這次人工合成的新通路CETCH與其中一種名為3HP-4HB循環的生物通路有一些相似之處，但能量效率相對3HP-4HB循環更高。圖片來源：10.1126/science.aal1559

通過對來源於不同生物體酶的組合與改造，科學家們最終構建起了一條能夠固定二氧化碳的全新的通路，這一通路是完全人工構建的，自然界中從來沒有存在過。科學家根據這一通路中三個關鍵中間化合物的名字（巴豆醯輔酶A、乙基丙二醯輔酶A、羥丁醯輔酶A）的首字母命名為CETCH通路。經過優化，這一通路的固定二氧化碳的速度可達5nmol每分鐘每毫克蛋白——可達到相當於卡爾文循環的十餘倍的程度。這條全新的碳固定通路，能夠源源不斷的將二氧化碳轉化為蘋果酸，一種可以被後續利用的有機物。

CETCH通路不僅固定二氧化碳速度更快，並且對能量的利用率更高。儘管目前構建的CETCHT通路還必須在體系中加入能量來源和氫受體，如ATP和NADPH等，但科學家們已經開始設想將這條通路和光合作用中生成能量的光解和電子傳遞途徑結合起來，來進一步實現可持續性的人工二氧化碳固定。如果這一目標能夠實現，那麼無論是對於有機物的合成，還是緩解溫室效應等環境問題，都有著極其重要的意義。

這條全新的人工二氧化碳固定通路的構建，體現出了合成生物學的巨大潛能。在人們對生物體內不同酶和代謝通路的結構和功能不斷加深了解後，人們不再滿足於對已經存在的代謝過程中單一酶或過程進行「微調」，而是致力於整合不同功能的酶，組合成為全新的代謝通路，更好的進行某一生物過程，甚至實現自然界中從未出現過的新的生物過程，這正是合成生物學所要實現的目標。我們相信，通過更為深入的研究，以及發揮人們的想像力，還將有更為神奇、更為有用的生物代謝過程，在合成生物學家們的手中成為現實。

（編輯：Calo）

TAG:果殼網 |

※從零開始，高效固碳——科學家利用基因工程成功設計高效的生物學固碳反應迴路
※抗腫瘤四氫異喹啉生物鹼生物合成途徑中新機制的發現
※青島能源所在藍細菌光合生物合成乙醇方面取得系列進展
※美國的一項低成本碳纖維項目，採用由生物質轉化的糖生產丙烯腈
※科學家用 糖和二氧化碳製成可生物降解的塑料
※地球上的外星生物，不一樣的神經系統，追溯遠古生物的起源
※一條泥鰍，成為了歐洲史上最重要生物發現之一！
※教育的最高境界，要讓孩子成為一個健康的生物，而不是一部智能機器
※重新設計大腸桿菌遺傳密碼獲成功 推動合成生物學邁進一大步
※用纸做成的电极让微生物燃料电池更廉价高效
※生物乙醇產業可促經濟和環境效益雙提高
※由生物質平台化合物丙酮一步製取汽、柴油範圍內的烷烴
※通過蛋白質修飾激活天然產物生物合成途徑
※螞蟻：地球上最成功的生物之一？
※海域有一特色海生物，情緒一激動身體就會成稱粉紅色
※對地球環境構成產生影響的幾大地球生物
※隱形的養生規則 人的一切活動都要與生物鐘的運轉吻合
※讓生物多樣性檢驗「共抓大保護」的成效
※智商頗高的賴代，生物鏈中極關鍵的一節！