未來，發(fā)酵罐里可能不再需要糖了。

在大多數(shù)人印象中，發(fā)酵工業(yè)往往就是在大罐子里泡著糖水養(yǎng)酵母或細(xì)菌。現(xiàn)在，英國(guó)倫敦瑪麗女王大學(xué)、劍橋大學(xué)與以色列魏茨曼科學(xué)研究所團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)研究證明，工程大腸桿菌能夠在不添加任何糖類或有機(jī)碳源的條件下，僅依靠太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的甲酸鹽和二氧化碳（CO?）完成生長(zhǎng)。

研究人員搭建了一套將有機(jī)光伏、酶催化與工程大腸桿菌整合在同一反應(yīng)器、以甲酸鹽為能量中介的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng) CO? 轉(zhuǎn)化生物質(zhì)平臺(tái)，通過結(jié)合“半人造葉片”和經(jīng)過長(zhǎng)期進(jìn)化的工程大腸桿菌，用陽(yáng)光和水將二氧化碳直接轉(zhuǎn)化為活體細(xì)菌生物質(zhì)。

在不引入植物、藻類或光合細(xì)菌的前提下，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了類似自然光合作用的碳固定過程，且不需要額外添加任何糖類或其他有機(jī)碳源。

具體來說，這種裝置在有機(jī)光伏驅(qū)動(dòng)下，通過甲酸脫氫酶（FDH）催化將二氧化碳還原為甲酸鹽，光陽(yáng)極同步氧化水釋放氧氣，工程化大腸桿菌在同一液體中“吃掉”甲酸鹽作為能源，驅(qū)動(dòng)細(xì)菌將外源二氧化碳固定實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)。

從本質(zhì)上來看，整個(gè)過程是模擬自然界的光合作用，而不同之處在于，其將植物體內(nèi)的復(fù)雜生化反應(yīng)拆解到體外，并用工程手段進(jìn)行重新組合。值得關(guān)注的是，經(jīng)過 168 天篩選和 27 輪持續(xù)進(jìn)化，菌株達(dá)到穩(wěn)定期 OD???≈0.2 所需的時(shí)間從 13 天縮短到僅需 2 天。

圖丨蘇林（左一）與 Erwin Reisner 教授在實(shí)驗(yàn)室（來源：受訪者）

該論文第一作者、倫敦瑪麗女王大學(xué)講師蘇林博士對(duì) DeepTech 表示：“這項(xiàng)研究首次在同一容器內(nèi)，打通了從光能到細(xì)菌生物質(zhì)生成的完整鏈條。這就像在實(shí)驗(yàn)室里建了人工葉綠體，不僅解決了自然光合作用的低效率瓶頸，還為合成生物學(xué)定向生產(chǎn)化學(xué)品提供了一種可編程平臺(tái)。”

相關(guān)論文以《利用光電化學(xué)實(shí)現(xiàn)自養(yǎng)型大腸桿菌的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)生長(zhǎng)》（Towards solar-powered growth of autotrophic Escherichia coli using photoelectrochemistry）為題發(fā)表在 JACS 上 [1]。蘇林博士和劍橋大學(xué) Celine Wing See Yeung 博士是共同第一作者，Erwin Reisner 教授擔(dān)任通訊作者。

圖丨相關(guān)論文（來源：JACS）

植物和浮游植物每年通過葉綠素、陽(yáng)光和水可固定約 1,000 億噸碳。在可再生化學(xué)領(lǐng)域，一個(gè)長(zhǎng)期的難題是，該過程能否在不依賴燃燒化石燃料的條件下，用人造組件搭建出合成版本。

太陽(yáng)能利用通常分為兩類路徑：純化學(xué)路徑（利用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)電催化或光催化合成燃料分子）和純生物路徑（利用藍(lán)藻等光合生物固定二氧化碳）。兩者各有長(zhǎng)短：化學(xué)路徑具備較高的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率，但貴金屬催化劑成本高，且難以一步合成多碳或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)物；生物路徑擅長(zhǎng)合成復(fù)雜代謝產(chǎn)物，但太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率較低，產(chǎn)物譜也受限于本身的代謝能力。

半人工光合作用（semi-artificial photosynthesis）正是把二者結(jié)合起來的策略：化學(xué)路徑負(fù)責(zé)把太陽(yáng)能高效轉(zhuǎn)化為甲酸（鹽）、乙酸（鹽）等簡(jiǎn)單中間體，再把這些中間體作為底物提供給生物系統(tǒng)，合成更復(fù)雜的目標(biāo)產(chǎn)物。

然而，其落地面臨一個(gè)核心挑戰(zhàn)：化學(xué)催化過程與生物合成過程往往不能在同一個(gè)反應(yīng)器中同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)。化學(xué)側(cè)所需的高電位、強(qiáng)電解液或金屬離子環(huán)境，常會(huì)損傷細(xì)菌或抑制其代謝。

那么，化學(xué)催化與生物代謝究竟能不能在同一種液體里同時(shí)工作？研究團(tuán)隊(duì)希望，通過這項(xiàng)研究找到這個(gè)問題的答案。

實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)看似簡(jiǎn)單，但實(shí)際操作起來卻充滿挑戰(zhàn)：有的系統(tǒng)用了含有毒性金屬離子的電極，細(xì)菌容易被毒死；而有的系統(tǒng)則需要添加額外的有機(jī)物才能維持細(xì)菌生長(zhǎng)，無(wú)法做到以 CO? 作為唯一碳源；還有的系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率過低，無(wú)法支撐連續(xù)培養(yǎng)的任務(wù)。

圖丨自然光合作用與工程化光合作用（來源：JACS）

總體來說，必須同時(shí)解決的三個(gè)問題是：速率匹配、化學(xué)環(huán)境對(duì)生物無(wú)毒以及所有催化反應(yīng)必須在同一種液體中發(fā)生。

研究人員設(shè)想了一個(gè)新的方案：用電化學(xué)裝置充當(dāng)“人工葉綠體”，讓電極的一面氧化水、提供電子，另一面則用這些電子把二氧化碳還原成一種小分子有機(jī)物（甲酸鹽）。工程化大腸桿菌在同一液相環(huán)境中攝取甲酸鹽，在細(xì)胞內(nèi)將其氧化回二氧化碳以釋放還原力（電子），再通過卡爾文循環(huán)驅(qū)動(dòng)外源二氧化碳固定成生物質(zhì)。

蘇林解釋說道：“水氧化產(chǎn)生的氧氣之所以能夠在同一反應(yīng)器里被細(xì)菌消耗掉，原因在于工程大腸桿菌需要氧氣作為呼吸鏈末端的電子受體。”

這一流程對(duì)應(yīng)的是天然光合作用：植物的光反應(yīng)制造三磷酸腺苷（ATP）和還原型輔酶Ⅱ（NADPH）并釋放氧氣；暗反應(yīng)利用這部分能量，通過卡爾文循環(huán)把二氧化碳固定成糖。在研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的裝置中，光反應(yīng)在半導(dǎo)體與酶的共同作用下完成，暗反應(yīng)則由大腸桿菌完成。

為什么選甲酸鹽作為化學(xué)側(cè)與生物側(cè)的“接力棒”？這一選擇背后有具體的考量。

與氫氣（儲(chǔ)運(yùn)困難、易燃易爆）、一氧化碳（毒性高、水溶性差）或乙酸鹽（電化學(xué)合成需要多電子轉(zhuǎn)移、效率較低）相比，甲酸鹽具有幾個(gè)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：它是常溫下的液體，易于在水相中儲(chǔ)存和運(yùn)輸；CO? 還原成甲酸鹽只需兩個(gè)電子，是熱力學(xué)上最容易實(shí)現(xiàn)的 CO? 還原產(chǎn)物之一；同時(shí)，甲酸鹽在細(xì)胞內(nèi)既可被氧化釋放還原力（電子）供能，氧化產(chǎn)物又是 CO?，可重新進(jìn)入細(xì)菌的碳固定循環(huán)，實(shí)現(xiàn)碳的內(nèi)部閉環(huán)。基于這些優(yōu)勢(shì)，以甲酸鹽為樞紐構(gòu)建可再生化學(xué)品生產(chǎn)體系的理念，在文獻(xiàn)中被稱為“甲酸鹽生物經(jīng)濟(jì)”（formate bioeconomy）。

在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了遞進(jìn)式驗(yàn)證。他們面臨的第一個(gè)挑戰(zhàn)是：細(xì)菌“吃”甲酸鹽的速度太慢了。研究人員選用大腸桿菌作為底盤生物，盡管這是一種實(shí)驗(yàn)室中常用的模式生物基因操作工具成熟，而且工業(yè)化生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)豐富，但野生型的大腸桿菌并不擅長(zhǎng)利用甲酸鹽。

此前，魏茨曼科學(xué)研究所 Ron Milo 教授課題組基于代謝工程改造，構(gòu)建出可利用甲酸鹽和二氧化碳生長(zhǎng)的自養(yǎng)型大腸桿菌，相關(guān)論文分別發(fā)表于 Cell（2019）與 eLife（2024）。但改造菌的生長(zhǎng)是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程，需要經(jīng)歷兩周才能生長(zhǎng)到可見的濃度。

為了讓改造菌實(shí)現(xiàn)高效生存，研究人員在 Milo 課題組前期菌株的基礎(chǔ)上進(jìn)行了適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化（ALE）實(shí)驗(yàn)。他們將培養(yǎng)物反復(fù)稀釋到新鮮培養(yǎng)基中，讓自然選擇來完成工作。

經(jīng)過共 168 天、 27 次連續(xù)傳代，分離到一株進(jìn)化后的菌株在 2 天內(nèi)達(dá)到了與此前 13 天同樣的密度（OD??? ≈ 0.2），進(jìn)而在細(xì)菌方面解決了速率匹配的問題。

圖丨甲酸鹽上加速的自養(yǎng)生長(zhǎng)（來源：JACS）

基因組測(cè)序數(shù)據(jù)顯示，進(jìn)化后的菌株在 pitA 基因上出現(xiàn)了一個(gè)單堿基插入突變，該基因編碼的是低親和力的無(wú)機(jī)磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。

當(dāng)研究人員通過 P1 噬菌體介導(dǎo)的轉(zhuǎn)導(dǎo)將該突變?nèi)藶樾迯?fù)回去后，結(jié)果顯示，回復(fù)株的生長(zhǎng)速度顯著低于進(jìn)化株。

蘇林指出，這說明該突變對(duì)甲酸鹽利用效率的提升有實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)。“據(jù)我們推測(cè)，pitA 失活可能有助于維持細(xì)胞內(nèi)的質(zhì)子動(dòng)力平衡，在甲酸鹽代謝導(dǎo)致培養(yǎng)液堿化的條件下為細(xì)菌爭(zhēng)取到了更好的生存優(yōu)勢(shì)。”

解決了快速“吃”甲酸鹽菌株的挑戰(zhàn)，但新的難題隨之而來：改造后的菌株能否直接利用電化學(xué)反應(yīng)生成的甲酸鹽？

研究團(tuán)隊(duì)在鈦箔上制備了一種具有層級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的二氧化鈦（TiO?）電極，并在電極上固定了兩種酶：一種是來自硫酸鹽還原菌的甲酸脫氫酶（FDH），這種酶能將二氧化碳還原成甲酸鹽，而且耐氧性好，無(wú)需苛刻的厭氧條件；另一種則來自碳酸酐酶（CA），它的作用是通過加速二氧化碳的水合反應(yīng)，防止電極表面由于局部堿化而導(dǎo)致甲酸脫氫酶失活。

在小幅外加電位（–0.4V vs. 可逆氫電極）下，這個(gè)陰極在 10 小時(shí)內(nèi)以 98±1% 的法拉第效率持續(xù)工作。也就是說，進(jìn)入電極的每個(gè)電子基本上都以甲酸鹽的形式輸出，且?guī)缀醪划a(chǎn)生副反應(yīng)。

在 5mL 緩沖液里累積了約 25mmol/L 的甲酸鹽，為實(shí)現(xiàn)細(xì)菌培養(yǎng)提供支持。當(dāng)研究人員將電解后的液體轉(zhuǎn)入燒瓶、補(bǔ)上微量元素，再接種進(jìn)化后的大腸桿菌時(shí)，結(jié)果顯示，細(xì)胞能夠在 6 天內(nèi)穩(wěn)定生長(zhǎng)，并消耗了幾乎生成的全部甲酸鹽。

（來源：受訪者）

但問題還沒有結(jié)束。到這一步，電能仍由外接電源提供。要真正復(fù)現(xiàn)自然光合作用的邏輯，必須把這部分電力替換為陽(yáng)光。為此，研究團(tuán)隊(duì)選用全有機(jī)的半導(dǎo)體材料構(gòu)建光伏器件，以防止傳統(tǒng)光伏器件中可能含有的重金屬離子毒性。

這種有機(jī)光伏器件在光照下能夠提供約 1 伏的開路電壓，足以驅(qū)動(dòng)甲酸脫氫酶工作。研究人員將酶修飾電極與有機(jī)光伏器件相結(jié)合，形成了一個(gè)生物光陰極。

在模擬太陽(yáng)光照射下，該光陰極在相對(duì)于可逆氫電極 0.6 伏的工作電位下，產(chǎn)生了約 3 毫安每平方厘米的光電流，連續(xù)運(yùn)行 10 小時(shí)產(chǎn)生了 338 微摩爾每平方厘米的甲酸鹽，法拉第效率仍可保持在約 97%。

通過這批太陽(yáng)能制造的甲酸鹽培養(yǎng)進(jìn)化后的大腸桿菌，細(xì)菌實(shí)現(xiàn)了正常生長(zhǎng) 3 天，最終濃度與此前用電解實(shí)驗(yàn)的甲酸鹽培養(yǎng)的情況相當(dāng)。

（來源：JACS）

至此，研究團(tuán)隊(duì)已分別驗(yàn)證光驅(qū)動(dòng)產(chǎn)甲酸鹽和細(xì)菌吃甲酸鹽生長(zhǎng)兩個(gè)環(huán)節(jié)。但是，如何將二者裝進(jìn)同一個(gè)容器中，讓它同時(shí)進(jìn)行呢？

研究人員將集成版的裝置稱為“半人造葉片”，不需要外加電壓，只要光照就能工作。整個(gè)裝置直接浸泡在含有大腸桿菌的培養(yǎng)液里。光照下，陰極產(chǎn)生甲酸鹽，陽(yáng)極產(chǎn)生氧氣。

甲酸鹽被細(xì)菌吃掉用于生長(zhǎng)，氧氣則被細(xì)菌用于呼吸。這套系統(tǒng)在連續(xù) 20 小時(shí)的光照下，產(chǎn)生約 79 微摩爾每平方厘米的甲酸鹽和 26 微摩爾每平方厘米的氧氣。

綜合來看，這項(xiàng)研究呈現(xiàn)出一條從陽(yáng)光、水和二氧化碳到細(xì)菌生物質(zhì)連續(xù)轉(zhuǎn)換的完整邏輯鏈條：用適應(yīng)性進(jìn)化讓大腸桿菌獲得快速利用甲酸鹽的能力，然后用酶修飾電極實(shí)現(xiàn)了從二氧化碳到甲酸鹽的高效電化學(xué)和光化學(xué)轉(zhuǎn)化，最終將二者整合在同一反應(yīng)器中。

這項(xiàng)研究展示了一種新的可能性，用工程細(xì)菌和光電器件搭“人工葉綠體”，將二氧化碳變成有用的物質(zhì)。需要看到的是，現(xiàn)階段，這套系統(tǒng)也面臨一系列問題，例如氧氣管理尚未穩(wěn)定、長(zhǎng)期運(yùn)行的循環(huán)性能有待驗(yàn)證，以及進(jìn)一步在更大規(guī)模的反應(yīng)器中進(jìn)行驗(yàn)證。目前裝置的連續(xù)運(yùn)行時(shí)間在 10–20 小時(shí)量級(jí)，距離工業(yè)應(yīng)用所需的數(shù)百乃至數(shù)千小時(shí)長(zhǎng)程穩(wěn)定性還有較大差距。

但這項(xiàng)研究的更重要的價(jià)值在于實(shí)現(xiàn)了概念驗(yàn)證：僅以陽(yáng)光、二氧化碳和水為底物，而不依賴糧食（比如玉米做的葡萄糖）和復(fù)雜的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)，就能培養(yǎng)出微生物生物質(zhì)。

目前，蘇林正在倫敦瑪麗女王大學(xué)新建立的獨(dú)立課題組中繼續(xù)這一方向的探索。該課題組延續(xù)了他在劍橋進(jìn)行博后研究時(shí)期的生物雜化系統(tǒng)（biohybrid）思路，聚焦于工程生物與合成材料之間的電子傳遞界面，并嘗試將這一平臺(tái)從 CO? 還原拓展到氮?dú)猓∟?）固定、塑料降解等更具挑戰(zhàn)性的反應(yīng)。“歡迎對(duì)生物–材料界面感興趣的研究人員加入我們課題組或開展合作。”蘇林說。

未來，如果該平臺(tái)能夠與直接空氣捕集技術(shù)耦合并實(shí)現(xiàn)規(guī)模化放大，有可能實(shí)現(xiàn)在太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)下，直接“種”出微生物蛋白、化工原料甚至燃料。

參考資料：

1.https://doi.org/10.1021/jacs.6c03677

運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍

注：封面/首圖由 AI 輔助生成