顆粒在線訊：工業(yè)快速發(fā)展導(dǎo)致二氧化碳等溫室氣體排放不斷增加，促使各國加速開發(fā)二氧化碳捕集利用技術(shù)。其中，設(shè)計和創(chuàng)建具有高效生物固碳能力的酶、生化途徑、工程生物或微生物組，已成為合成生物固碳領(lǐng)域的研究熱點。 

　　自然界中，植物和微生物可利用六條天然固碳途徑將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，其中重要途徑之一就是以1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶（Rubisco）為核心固碳酶的卡爾文循環(huán)。為突破天然固碳途徑的低效率，2016年和2021年，Science雜志先后報道了人工設(shè)計的非天然固碳途徑CETCH循環(huán)（由德國馬普陸地微生物研究所完成）和ASAP途徑（由中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所完成），可在無細(xì)胞系統(tǒng)中將二氧化碳分別轉(zhuǎn)化為乙醛酸和淀粉。這些天然和人工固碳途徑較長，一般包含十步以上的生化反應(yīng)。一般情況下，生化途徑的反應(yīng)步驟越多，整體效率越低。然而，生物固碳途徑必須由很多反應(yīng)步驟組成嗎？能否設(shè)計一條比天然固碳途徑反應(yīng)數(shù)更少的人工固碳途徑？如果可以，這樣的人工固碳途徑需要在怎樣的條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，能夠達(dá)到多高的固碳效率？  

　　圍繞上述問題，中國科學(xué)院微生物研究所研究人員基于生化反應(yīng)熱力學(xué)和動力學(xué)計算，設(shè)計出新的最小化的人工固碳循環(huán)。該循環(huán)包含四步反應(yīng)，分別由丙酮酸羧化酶（PYC）、草酰乙酸乙酰基水解酶（OAH）、乙酸-CoA連接酶（ACS）和丙酮酸合酶（PFOR）催化，被命名為POAP循環(huán)（如圖）。在四步反應(yīng)中，由丙酮酸合酶和丙酮酸羧化酶催化的兩步反應(yīng)均為固碳反應(yīng)。POAP循環(huán)每運(yùn)行一輪，可以轉(zhuǎn)化兩分子二氧化碳生成一分子草酸，消耗兩分子ATP和一分子還原力。 

　　在POAP循環(huán)的四步反應(yīng)中，關(guān)鍵且較難實現(xiàn)的是由丙酮酸合酶（PFOR）催化的還原羧化反應(yīng)。正常情況下，在生物體內(nèi)能夠觀察到的反應(yīng)是PFOR催化丙酮酸氧化脫羧并釋放二氧化碳。而實現(xiàn)POAP循環(huán)，需要把PFOR催化的氧化脫羧反應(yīng)逆轉(zhuǎn)過來，即催化乙酰輔酶A還原羧化生成丙酮酸。該還原羧化反應(yīng)在熱力學(xué)上不利，需要較大的還原力來推動反應(yīng)發(fā)生。因此，研究人員考慮在厭氧條件下利用低電勢的電子供體提供足夠的還原力來驅(qū)動反應(yīng)。通過合成并測試一系列低電勢的電子供體鐵氧還蛋白（Ferredoxin，F(xiàn)d），研究人員發(fā)現(xiàn)來源于Hydrogenobacter thermophiles的Fd2對PFOR的還原羧化反應(yīng)具有較強(qiáng)的推動作用。以Fd2作為電子供體，可以驅(qū)動熱纖梭菌（Clostridium thermocellum）來源的異型四聚體丙酮酸合酶實現(xiàn)乙酰輔酶A的還原羧化，這也是異型四聚體的丙酮酸合酶首次在體外實現(xiàn)還原羧化反應(yīng)。通過進(jìn)一步合成測試，研究人員獲得了構(gòu)建POAP循環(huán)所需要的其他三個酶PYC、OAH和ACS，采用先分別構(gòu)建POAP半循環(huán)、再將兩個POAP半循環(huán)整合在一起的策略，構(gòu)建了具有功能的POAP循環(huán)。以13C標(biāo)記的碳酸氫鈉為底物進(jìn)行測試，檢測到POAP循環(huán)的產(chǎn)物13C標(biāo)記的草酸，并測定出POAP循環(huán)的二氧化碳固定速率為8.0 ± 1.8 nmol CO2/min/mg固碳酶，草酸的轉(zhuǎn)換數(shù)為5 摩爾/摩爾POAP循環(huán)酶，固碳效率較高。 

　　理論上，構(gòu)成一個最小固碳循環(huán)需要三步反應(yīng)。POAP循環(huán)只含有四步反應(yīng)，接近理論最小值，是目前經(jīng)過實驗證實的最小化的人工固碳循環(huán)。由于途徑短，在PFOR活性遠(yuǎn)低于CETCH循環(huán)固碳酶活性的情況下，POAP循環(huán)的二氧化碳固定速率仍超過了含有十二步反應(yīng)的CETCH循環(huán)。POAP循環(huán)可以在厭氧和較高溫度（50°C）下實現(xiàn)二氧化碳固定，為了解和研究地球早期生物如何進(jìn)行二氧化碳固定提供了新模型，并為二氧化碳的人工生物轉(zhuǎn)化提供了新的可選途徑。 

　　相關(guān)研究成果以A Minimized Synthetic Carbon Fixation Cycle為題，于12月28日在線發(fā)表在ACS Catalysis上。研究工作得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項預(yù)研項目、中科院重點部署項目等的資助。 

由四步生化反應(yīng)組成的POAP循環(huán)