异日，发酵罐里可能不再需要糖了。

在大无数东谈主印象中，发酵工业往往即是在大罐子里泡着糖水养酵母或细菌。当今，英国伦敦玛丽女王大学、剑桥大学与以色列魏茨曼科学参议所团队的一项参议证明，工程大肠杆菌大约在不添加任何糖类或有机碳源的条目下，仅依靠太阳能驱动产生的甲酸盐和二氧化碳（CO₂）完成滋长。

参议东谈主员搭建了一套将有机光伏、酶催化与工程大肠杆菌整合在归并响应器、以甲酸盐为能量中介的太阳能驱动 CO₂ 滚动生物资平台，通过勾搭“半东谈主造叶片”和经过长久进化的工程大肠杆菌，用阳光和水将二氧化碳凯旋滚动为活体细菌生物资。

在不引入植物、藻类或光合细菌的前提下，该系统杀青了访佛当然光合营用的碳固定过程，且不需要疏淡添加任何糖类或其他有机碳源。

具体来说，这种装配在有机光伏驱动下，通过甲酸脱氢酶（FDH）催化将二氧化碳归附为甲酸盐，光阳极同步氧化水开释氧气，工程化大肠杆菌在归并液体中“吃掉”甲酸盐看成能源，驱动细菌将外源二氧化碳固定杀青滋长。

从执行上来看，所有过程是模拟当然界的光合营用，而不同之处在于，其将植物体内的复杂生化响应拆解到体外，并用工程技能进行重新组合。值得关切的是，经过 168 天筛选和 27 轮抓续进化，菌株达到稳按期 OD₆₀₀≈0.2 所需的时候从 13 天镌汰到仅需 2 天。

图丨苏林（左一）与 Erwin Reisner 教化在实验室（开头：受访者）

该论文第一作家、伦敦玛丽女王大学讲师苏林博士对 DeepTech 示意：“这项参议初次在归并容器内，买通了从光能到细菌生物资生成的齐全链条。这就像在实验室里建了东谈主工叶绿体，不仅治理了当然光合营用的低效果瓶颈，还为合成生物学定向分娩化学品提供了一种可编程平台。”

有关论文以《诓骗光电化学杀青自养型大肠杆菌的太阳能驱动滋长》（Towards solar-powered growth of autotrophic Escherichia coli using photoelectrochemistry）为题发表在 JACS 上 [1]。苏林博士和剑桥大学 Celine Wing See Yeung 博士是共同第一作家，Erwin Reisner 教化担任通信作家。

图丨有关论文（开头：JACS）

植物和浮游植物每年通过叶绿素、阳光和水可固联盟 1，000 亿吨碳。在可再生化学范围，一个长久的难题是，该过程能否在不依赖烧毁化石燃料的条目下，用东谈主造组件搭建出合成版块。

太阳能诓骗频繁分为两类旅途：纯化学旅途（诓骗太阳能驱动电催化或光催化合成燃料分子）和纯生物旅途（诓骗蓝藻等光合生物固定二氧化碳）。两者各有短长：化学旅途具备较高的太阳能滚动效果，但贵金属催化剂资本高，且难以一步合成多碳或结构复杂的居品；生物旅途擅长合成复杂代谢居品，但太阳能滚动效果较低，居品谱也受限于自己的代谢智商。

半东谈主工光合营用（semi-artificial photosynthesis）恰是把二者勾搭起来的计策：化学旅途认真把太阳能高效滚动为甲酸（盐）、乙酸（盐）等简便中间体，再把这些中间体看成底物提供给生物系统，合成更复杂的野心居品。

关联词，其落大地临一个中枢挑战：化学催化过程与生物合成过程往往不可在归并个响应器中同期运转。化学侧所需的高电位、强电解液或金属离子环境，常会毁伤细菌或禁锢其代谢。

那么，化学催化与生物代谢究竟能不可在归并种液体里同期责任？参议团队但愿，通过这项参议找到这个问题的谜底。

杀青这个野心看似简便，但执行操作起来却充满挑战：有的系统用了含有毒性金属离子的电极，细菌容易被毒死；而有的系统则需要添加疏淡的有机物才气保管细菌滋长，无法作念到以 CO₂ 看成独一碳源；还有的系统能量颐养效果过低，无法撑抓聚合培养的任务。

图丨当然光合营用与工程化光合营用（开头：JACS）

总体来说，必须同期治理的三个问题是：速率匹配、化学环境对生物无毒以及通盘催化响应必须在归并种液体中发生。

参议东谈主员想象了一个新的决策：用电化学装配充任“东谈主工叶绿体”，让电极的一面氧化水、提供电子，另一面则用这些电子把二氧化碳归附成一种小分子有机物（甲酸盐）。工程化大肠杆菌在归并液相环境中招揽甲酸盐，在细胞内将其氧化回二氧化碳以开释归附力（电子），再通过卡尔文轮回驱动外源二氧化碳固定成生物资。

苏林解释说谈：“水氧化产生的氧气之是以大约在归并响应器里被细菌破钞掉，原因在于工程大肠杆菌需要氧气看成呼吸链结尾的电子受体。”

这照旧由对应的是自然光合营用：植物的光响应制造三磷酸腺苷（ATP）和归附型辅酶Ⅱ（NADPH）并开释氧气；暗响应诓骗这部分能量，通过卡尔文轮回把二氧化碳固定成糖。在参议团队开辟的装配中，光响应在半导体与酶的共同作用下完成，暗响应则由大肠杆菌完成。

为什么选甲酸盐看成化学侧与生物侧的“悉力棒”？这一收受背后有具体的考量。

与氢气（储运勤快、易燃易爆）、一氧化碳（毒性高、水溶性差）或乙酸盐（电化学合成需要多电子转化、效果较低）比拟，甲酸盐具有几个独到上风：它是常温下的液体，易于在水相中储存和运载；CO₂ 归附成甲酸盐只需两个电子，是热力学上最容易杀青的 CO₂ 归附居品之一；同期，甲酸盐在细胞内既可被氧化开释归附力（电子）供能，氧化居品又是 CO₂，可重新参加细菌的碳固定轮回，杀青碳的里面闭环。基于这些上风，以甲酸盐为关键构建可再生化学品分娩体系的理念，在文件中被称为“甲酸盐生物经济”（formate bioeconomy）。

在这项参议中，参议团队进行了递进式考证。他们靠近的第一个挑战是：细菌“吃”甲酸盐的速率太慢了。参议东谈主员采取大肠杆菌看成底盘生物，尽管这是一种实验室中常用的时势生物基因操作器具锻真金不怕火，况兼工业化分娩素质丰富，但野生型的大肠杆菌并不擅长诓骗甲酸盐。

此前，魏茨曼科学参议所 Ron Milo 教讲课题组基于代谢工程纠正，构建出可诓骗甲酸盐和二氧化碳滋长的自养型大肠杆菌，有关论文分辩发表于 Cell（2019）与 eLife（2024）。但纠正菌的滋长是一个漫长的过程，开云·体育 (kaiyun)官方网站需要阅历两周才气滋长到可见的浓度。

为了让纠正菌杀青高效生活，参议东谈主员在 Milo 课题组前期菌株的基础上进行了适应性实验室进化（ALE）实验。他们将培养物反复稀释到崭新培养基中，让当然收受来完成责任。

经过共 168 天、 27 次聚合传代，分离到一株进化后的菌株在 2 天内达到了与此前 13 天相通的密度（OD₆₀₀ ≈ 0.2），进而在细菌方面治理了速率匹配的问题。

图丨甲酸盐上加快的自养滋长（开头：JACS）

基因组测序数据裸露，进化后的菌株在 pitA 基因上出现了一个单碱基插入突变，该基因编码的是低亲和力的无机磷酸盐转运卵白。

当参议东谈主员通过 P1 噬菌体介导的转导将该突变东谈主为建筑且归后，限度裸露，复兴株的滋长速率权臣低于进化株。

苏林指出，这阐发该突变对甲酸盐诓骗效果的擢升有实质性孝敬。“据咱们臆测，pitA 失活可能有助于保管细胞内的质子能源均衡，在甲酸盐代谢导致培养液碱化的条目下为细菌争取到了更好的生活上风。”

治理了快速“吃”甲酸盐菌株的挑战，但新的难题随之而来：纠正后的菌株能否凯旋诓骗电化学响应生成的甲酸盐？

参议团队在钛箔上制备了一种具有层级多孔结构的二氧化钛（TiO₂）电极，并在电极上固定了两种酶：一种是来自硫酸盐归附菌的甲酸脱氢酶（FDH），这种酶能将二氧化碳归附成甲酸盐，况兼耐氧性好，无需惨酷的厌氧条目；另一种则来自碳酸酐酶（CA），它的作用是通过加快二氧化碳的水合响应，看重电极名义由于局部碱化而导致甲酸脱氢酶失活。

在小幅外加电位（–0.4V vs. 可逆氢电极）下，这个阴极在 10 小时内以 98±1% 的法拉第效果抓续责任。也即是说，参加电极的每个电子基本上皆以甲酸盐的样子输出，且险些不产生副响应。

在 5mL 缓冲液里积攒了约 25mmol/L 的甲酸盐，为杀青细菌培养提供支抓。当参议东谈主员将电解后的液体转入烧瓶、补上微量元素，再接种进化后的大肠杆菌时，限度裸露，细胞大约在 6 天内领路滋长，并破钞了险些生成的所有甲酸盐。

图丨参议东谈主员将有机光伏、酶催化与工程大肠杆菌整合在归并响应器中（开头：受访者）

但问题还莫得收尾。到这一步，电能仍由外接电源提供。要真确复现当然光合营用的逻辑，必须把这部分电力替换为阳光。为此，参议团队采取全有机的半导体材料构建光伏器件，以看重传统光伏器件中可能含有的重金属离子毒性。

这种有机光伏器件在光照下大约提供约 1 伏的开路电压，足以驱动甲酸脱氢酶责任。参议东谈主员将酶修饰电极与有机光伏器件相勾搭，酿成了一个生物光阴极。

在模拟太阳光映照下，该光阴极在联系于可逆氢电极 0.6 伏的责任电位下，产生了约 3 毫安每平方厘米的光电流，聚合启动 10 小时产生了 338 微摩尔每平方厘米的甲酸盐，法拉第效果仍可保抓在约 97%。

通过这批太阳能制造的甲酸盐培养进化后的大肠杆菌，细菌杀青了平常滋长 3 天，最终浓度与此前用电解实验的甲酸盐培养的情况尽头。

图丨生物电化学甲酸盐合成与诓骗（开头：JACS）

至此，参议团队已分辩考证光驱动产甲酸盐和细菌吃甲酸盐滋长两个方法。但是，若何将二者装进归并个容器中，让它同期进行呢？

参议东谈主员将集成版的装配称为“半东谈主造叶片”，不需要外加电压，只有光照就能责任。所有装配凯旋浸泡在含有大肠杆菌的培养液里。光照下，阴极产生甲酸盐，阳极产生氧气。

甲酸盐被细菌吃掉用于滋长，氧气则被细菌用于呼吸。这套系统在聚合 20 小时的光照下，产生约 79 微摩尔每平方厘米的甲酸盐和 26 微摩尔每平方厘米的氧气。

轮廓来看，这项参议呈现出一条从阳光、水和二氧化碳到细菌生物资聚合颐养的齐全逻辑链条：用适应性进化让大肠杆菌得回快速诓骗甲酸盐的智商，然后用酶修饰电极杀青了从二氧化碳到甲酸盐的高效电化学和光化学滚动，最终将二者整合在归并响应器中。

这项参议展示了一种新的可能性，用工程细菌和光电器件搭“东谈主工叶绿体”，将二氧化碳变成有效的物资。需要看到的是，现阶段，这套系统也靠近一系列问题，举例氧气经管尚未领路、长久启动的轮回性能有待考证，以及进一步在更大范畴的响应器中进行考证。目下装配的聚合启动时候在 10–20 小时量级，距离工业应用所需的数百乃至数千小时长程领路性还有较大差距。

但这项参议的更迫切的价值在于杀青了想法考证：仅以阳光、二氧化碳和水为底物，而不依赖食粮（比如玉米作念的葡萄糖）和复杂的有机养分，就能培养出微生物生物资。

目下，苏林正在伦敦玛丽女王大学新确立的沉寂课题组中不息这一宗旨的探索。该课题组延续了他在剑桥进行博后参议期间的生物杂化系统（biohybrid）想路，聚焦于工程生物与合成材料之间的电子传递界面，并尝试将这一平台从 CO₂ 归附拓展到氮气（N₂）固定、塑料降解等更具挑战性的响应。“接待对生物–材料界面感瞻仰的参议东谈主员加入咱们课题组或开展合营。”苏林说。

异日，若是该平台大约与凯旋空气捕集本领耦合并杀青范畴化放大，有可能杀青在太阳能驱动下，凯旋“种”出微生物卵白、化工原料以致燃料。

参考费力：

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

运营/排版：何晨龙

注：封面/首图由 AI 扶助生成开云体育官方网站 - KAIYUN