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

全球氣候變化作為接下來很長一段時間內人類所必須面對的重大環境問題已經成為了科學界的共識，而降低氣候變化導致的影響，除去節能減排來控制二氧化碳等溫室氣體的排放之外，固碳——設法將大氣中已有的二氧化碳轉化成為其他化合物——也吸引了不少科學家的注意力。然而，現有的生物學固碳過程雖然規模龐大，在轉化效率上都差強人意，難以被人們用來減緩二氧化碳的上升趨勢。

最近，一支由德國科學家Tobias J. Erb率領的，德國馬克斯·普朗克研究所與瑞士蘇黎世聯邦理工學院研究人員組成的聯合團隊成功利用基因工程技術，設計了一條完整的生物學固碳反應循環通路。這條通路比自然界最常用固碳通路效率高上數倍，可能為人們對抗全球氣候變化帶來新的解決方案。他們的研究成果被發表在最近一期（11月17日）的《科學》雜誌上。

研究團隊這次使用了合成生物學的思路，不像傳統基因工程那樣在已有的反應迴路上做文章，而是完全從頭設計整個反應過程。在自然界的固碳反應中，羧基化（利用二氧化碳為原材料，在分子上添加一個羧基的過程）往往是決定效率的關鍵步驟，於是他們通過比較自然界中各類催化羧基化反應的酶，找到了效率比較高的一類（烯醯輔酶A）。然後從它開始，根據其上下游反應的情況一步一步將整個過程設計出來，隨後去資料庫中尋找能夠催化每一步反應的酶是否存在，並利用基因工程技術將找到的酶整合到同一個反應環境中。

為了進一步優化設計出來的迴路，研究團隊還對其中一些關鍵步驟所用到的酶進行了基因編輯，以使其能夠更有效地推動反應的進行。他們還在核心反應周圍設計了一些其他反應用於處理反應各步中可能產生的副產品，以進一步提高其效率。最終，他們得到了一條與自然界漫長進化所得的六條固碳迴路都不同，且效率比它們都要高的第七條固碳迴路，能夠不斷消耗二氧化碳並將其轉化為蘋果酸。值得一提的是，完成的設計里共有十三步核心反應，總共涉及到十七個酶，這十七個酶的基因來自各種生物，包括細菌、古細菌、植物以及人類。這充分體現了基因工程技術與合成生物學在跨越物種障礙以及精準改良生物學反應方面的威力。

目前這條固碳迴路仍然處於體外實驗階段，而且需要藉助ATP（三磷酸腺苷）等物質來提供必要的能量。研究團隊下一步打算將其轉入能夠進行光合作用的細胞或者組織內，利用光合作用產生的ATP等來驅動這一固碳過程。如果生物固碳能夠大規模推廣，對控制溫室氣體帶來的全球氣候變化影響無疑是一個好消息，而固碳產生的蘋果酸也可以被用作下游其他產業的原材料，做到物盡其用。

新聞鏈接：http://arstechnica.com/science/2016/11/enzymes-from-nine-organisms-combined-to-create-new-pathway-to-use-co2/

論文鏈接：http://science.sciencemag.org/content/354/6314/900.full

編譯：UnknownC4

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