上海交通大学Nature Synthesis:光驱动CO2生物合成挥发、不稳定、光敏分子

一、【导读】

   近年来，二氧化碳的高值化对碳中和及循环经济至关重要，但它仍然是一个巨大的挑战。基于光合微生物的光驱动合成生物学为碳固定与石化资源替代提供了一条有前途的途径。然而，用于光合生物基因工程的分子工具和自动化工作流程远远落后于常用的工业菌株。此外，产物范围受到固有因素的限制，例如，必要的气体交换导致挥发性产物的快速逸出，以及光敏产物的光诱导分解等。而另一个主要问题是由内源性酶介导的目标产物的不良转化，而在未充分开发的光合菌株中完全消除这种多余的活性是具有挑战性的。目前还没有解决这些长期存在局限的方法。因此，在解决上述问题的同时开发出一种通用的二氧化碳高值化策略来快速合成任何感兴趣的化学物质将是目前这个领域的研究重点。

二、【成果掠影】

   近日，上海交通大学倪俊教授团队报道一种时空分离的模块催化策略，通过稳定的介导化合物实现固碳和细胞催化结合，将CO₂转化为各种增值化学品。相关的研究成果以“Light-driven biosynthesis of volatile, unstable and photosensitive chemicals from CO₂”为题发表在Nature Synthesis上。

三、【核心创新点】

1、作者设计了一种广泛适用的CO₂增值策略，即光合作用和休止细胞催化 （iPRCC）的整合。通过代谢网络重构，固碳模块的性能提高50 %，同时将双相催化剂、多基因编辑、高通量工作应用于催化模块制备烯烃、肉桂醛和姜黄素。这种结合的多模块催化体系比单一催化体系的性能提高114倍。

2、通过扩大这种模块催化体系的规模，实现了一种“即插即用”模式的生物炼制体系，并且能够以g/L量级制备各种化学品。这种高效、负碳的路线极大地扩大了光驱动生物合成的范围，有助于促进CO₂还原实现生物工业化。

四、【数据概览】

图1 用于生物制造的光驱动CO₂固定。©2023 Springer Nature

图2 直接光合 CA 生产。©2023 Springer Nature

图3  CO₂光合作用转化为苯乙烯。©2023 Springer Nature

图4 其他挥发性 α-烯烃的光驱动生物合成。©2023 Springer Nature

图5  CO₂光合作用转化为细胞内不稳定产物。©2023 Springer Nature

图6  CO₂光合作用转化为光敏产物。©2023 Springer Nature

图7 通过 iPRCC 策略生产各种有价值的化学品的负碳生产。©2023 Springer Nature

五、【成果启示】

   综上所述，作者提出了一种新型的iPRCC的模块化策略，实现一个可行且具有潜在通用性的CO₂增值平台。对于碳固定模块，通过代谢网络重塑显着提高了CO₂固定率，并提出了光合作用系统中巧妙的自我调节机制。此外，由于与现有微生物细胞工厂的兼容性，双模式工艺可以很容易地适应其他目标产品。这可能会促进光驱动合成生物学的进一步发展。光驱动生物制造提供的另一个关键好处是它的负碳足迹。使用CO₂代替糖作为初始原料，使生物合成与商品价格脱钩。此外，不断上涨的碳税可能会促进这种负碳制造。因此，这项研究提出的广泛适用平台将促进CO₂减排的生物产业，以实现更可持续的未来。

原文详情： https://doi.org/10.1038/s44160-023-00331-5

本文由K . L撰稿。