全球变暖已经成为当今世界面临的严峻环境挑战之一，二氧化碳的大量排放是造成全球变暖的最主要原因。数据显示，2023 年全球能源相关二氧化碳排放量创历史新高，达到了 374 亿吨。
为了应对气候变化，2015 年全球 197 个国家通过《巴黎协定》，旨在大幅减少全球温室气体排放，承诺到 2050 年实现净零碳排放的目标。这为未来几十年全球的努力指明了方向，标志着一个向净零排放世界转变的开始。
“碳中和” 被视为迈向净零碳排的第一步，现阶段，越来越多的国家已经将 “碳中和” 作为发展的重要目标之一。实现 “碳中和” 的一个可持续治理思路是固碳，即将空气中的二氧化碳固定下来，并转化为生产碳基化合物的原料。二氧化碳的生物固定和转化是大规模减少以及利用二氧化碳的有效途径之一，也是当前的研究热点之一，重点聚焦在改造天然固碳途径和从头设计、构建人工固碳途径。
正在德国马克斯·普朗克陆地微生物研究所从事博士后研究的罗姗姗长期专注于利用合成生物学重新构建光合作用，应对能源和气候危机。近期，凭借在 “设计并构建人工二氧化碳（CO2）固定途径和能量转化模块” 方面的突破性进展，罗姗姗入选了 2023 年度《麻省理工科技评论》中国区 “35 岁以下科技创新 35 人”。
图 | 罗姗姗博士
罗姗姗本科毕业于清华大学化工系，在加州大学洛杉矶分校 James Liao 教授实验室获得博士学位，博士期间开始设计和构建在生命体外环境下的人工 CO2 固定循环，后在德国马克斯·普朗克陆地微生物研究所 Tobias Erb 教授实验室从事人工固碳研究工作。她已经设计并在体外构建了两条人工 CO2 固定途径，即 rGPS-MCG 循环和 THETA 循环，这些途径均具有超越自然固碳途径的性能。她还设计和构建了一个电生物模块——AAA 循环，可将电能直接转化为 ATP。接下来，罗姗姗计划回国成立实验室继续从事构建人工光合作用的研究。
利用合成生物学应对环境问题，专注设计人工固碳途径
能源危机往往与气候危机相互交织，环境问题日益严峻。能源是气候挑战的核心，也是解决问题的关键。根据相关数据统计，煤炭、石油和天然气等化石燃料被视为迄今为止造成全球气候变化的最主要原因，占全球温室气体排放超 75%，占所有二氧化碳排放量近 90%。
“上大学后，在老师们潜移默化的影响下，我开始思考人生的意义，想要去做一些更有意义、更有价值的事情。那时，环境问题凸显，全球变暖日益严重，人们希望将全球气温的升高幅度控制在 2 度以内，否则会引发严重的气候变化。也是从那时起，我决定从事与能源和环境相关的研究，利用合成生物学解决这些环境和能源问题。博士期间，我开始将最初对能源环境问题的宏观想法转向重点关注二氧化碳固定上。”罗姗姗回忆道。
自然界中本身存在二氧化碳固定途径，现在已经发现了 7 条天然固碳途径，包括卡尔文循环、还原性 TCA 循环、WL 途径（Wood-Ljungdahl pathway）、还原性甘氨酸途径、3-羟基丙酸双循环、3-羟基丙酸 /4-羟基丁酸循环以及二羧酸 /4-羟基丁酸循环。然而，天然固碳途径存在一定的局限性，比方说固碳酶活性低、催化与氧气的副反应导致固碳效率较低、一些天然固碳途径的固碳酶氧气敏感、比较复杂且难以异源表达纯化等等。
图 | 7 条天然存在的 CO2 固定途径（来源：Chemical Reviews）
“这是因为天然固碳途径的进化目标是支持生长，而非达到最高的固碳速率和效率。因此，我们决定从第一性原理出发，通过自由组合各种酶、生化反应和反应机理，设计一类优于天然途径的人工二氧化碳固定途径。这些人工固碳途径由高效、结构相对简单且氧气耐受的酶构成，不仅可以提高固碳效率，还可以更直接地将二氧化碳转化为特定有机物，实现更高效的二氧化碳利用和转化。”罗姗姗解释道。
不同于自然界中经过数十亿年进化的天然固碳途径以及对天然途径的改造，罗姗姗在博士和博士后期间利用合成生物学方法从头设计、构建了两条更高效、更快速的人工固碳途径，并证明了从头设计固碳途径的可行性，有潜力应对气候变化。
在博士期间，罗姗姗在体外构建了氧气耐受的自催化循环 rGPS-MCG，这是世界上成功构建的第二条耐氧人工 CO2 固定途径。据介绍，研究人员还引入了自动化光学监控系统控制辅因子再生，使得 rGPS-MCG 在体外持续运行了 6 小时，且固碳速率达到甚至超过典型的光合或自养生物。
图 | rGPS-MCG 途径（来源：Nature Catalysis）
此后，她还在体外成功构建了另一条人工固碳途径——还原性三羧酸分支 /4-羟基丁酰辅酶 A/ 乙基丙二酰辅酶 A/ 乙酰辅酶 A（THETA） 循环，并通过理性优化和机器学习方法将其产量提高了 2 个数量级。在研究中，还将 THETA 循环分为三个模块，证明这些模块可以在大肠杆菌体内运行。罗姗姗告诉生辉，这迈出了在活细胞中构建复杂且高度正交的人工 CO2 固定途径的第一步。
“这些人工固碳途径如果能在生物体内有效运行，将扩展其应用范围。未来，我们可以将其用于改造微生物，甚至可能用于改造植物。目前我们尚未构建一个在体内完整运行且支持细胞生长的人工 CO2 固定途径，不过未来一旦实现，这将大大增强人工固碳途径的应用潜力，并产生深远的影响。”
构建能量转化模块，为人工固碳途径可持续供能
在固定二氧化碳转化有机物的过程中，二氧化碳的能量非常低，需要输入能量驱动 CO2 固定途径。常用的方法是通过高能化合物提供能量，这种能源供应方式并非可持续方法。而电能尤其是可再生能源生产的电能，是理想的能量来源，既清洁又可持续。
不过，要将电能直接用于驱动无细胞系统，需要将其转化为存储在还原性辅酶（比如 NADH）和 ATP 中的化学能。如何有效实现不同形式的能量转化是一大挑战，虽然已经能用电再生还原性辅酶，但还难以直接将电能转化为 ATP 中的化学能。因此，解决这一问题对固定二氧化碳至关重要。
罗姗姗坦言，我从博士时就开始尝试开发一种更简单、更稳定的能量转化方法，将电能有效转化为生命体的 “能量货币” ATP。
在博士后期间，她设计了一个合成电生物模块——AAA 循环，能够将电能直接转化为 ATP 并为无细胞系统供能。AAA 循环是一个多步级联反应，通过循环反应将储存在电子中的能量转化为 ATP 中的化学能。这个极简的“电生物模块”由 3-4 种酶组成，不需要任何膜结构，还可以通过AAA循环实现用电能驱动更复杂的生物过程，如从 DNA 合成 RNA 和蛋白质。这项研究作为封面文章发表在《焦耳》杂志，且已经基于这项工作撰写并提交了专利申请。
“AAA 循环首次实现通过无膜系统将电能转化为 ATP，这为自下而上构建生命系统提供了全新的 ATP 再生思路，也为电驱动的固碳、固氮、生物合成提供了新途径。”罗姗姗补充道。
（来源：Joule）
她还表示，这两方面的工作都为构建人工光合作用奠定了基础。接下来，我将继续利用合成生物学构建高效的 CO2 固定转化系统，计划将电生物模块与人工 CO2 固定途径相结合，构建电能驱动的 CO2 固定转化系统。我们还计划将大肠杆菌改造成依赖人工 CO2 固定途径生长的的自养型细胞工厂，利用 CO2 生产多种有用化学品。
“此外，我们做的研究常常被酶工程改造的能力所限制，我希望未来我们能够自由高效地设计酶、改造酶。”
参考链接：
1.https://www.nature.com/articles/s41929-022-00746-x
2.https://www.nature.com/articles/s41929-023-01079-z
3.https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.2c00581
4.https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(23)00310-0
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