空气变黄金！双碳目标新突破——生物黑科技，科学家用二氧化碳创造无限可能

虽然有些微生物会使人生病或使食物变质，但有些微生物对生存至关重要。这些微生物也可以被改造成制造特定分子。研究人员已经改造了一种这样的微生物，以帮助应对大气中的温室气体：它吸收二氧化碳 (CO2) 气体并产生甲羟戊酸，这是一种有用的药物成分。

一种潜在的微生物是Cupriavidus necator H16，这种细菌因其对食物相对不挑剔的特性而受到青睐。由于这种细菌仅靠二氧化碳和氢气就能生存_，因此它成为捕获这些气体并将其转化为更大分子的绝佳候选者。

研究人员想要看看他们能否提高Cupriavidus necator H16记忆新指令的能力，并利用二氧化碳气体生产有用的碳基构建块。研究团队开始着手破解钩虫将二氧化碳转化为更大的六碳分子的生化途径。

提高质粒稳定性的关键在于一种名为 RubisCo 的酶，这种酶使细菌能够利用 CO 2。本质上，新质粒与酶配对，因此如果细胞无法记住新指令，它就会记不住如何制造 RubisCo 并死亡。与此同时，记忆力更好的剩余细胞将存活下来并进行复制，将质粒传递下去。

在测试中，与对照菌株相比，新改造的微生物产生的六碳分子甲羟戊酸明显更多。甲羟戊酸是生物和合成系统中各种物质的分子组成部分，包括胆固醇和其他具有药物应用的类固醇分子。事实上，这项研究迄今为止利用微生物从二氧化碳或其他单碳反应物中生产出了数量最大的甲羟戊酸。

研究人员表示，与以前涉及C. necator的系统相比，这是一种更经济可行的碳固定系统，并且还可以扩展到其他微生物菌株。

参考文献：Marco Garavaglia, Callum McGregor, Rajesh Reddy Bommareddy, Victor Irorere, Christian Arenas, Alberto Robazza, Nigel Peter Minton, Katalin Kovacs. Stable Platform for Mevalonate Bioproduction from CO2. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2024; DOI: 10.1021/acssuschemeng.4c03561

一、基础知识科普

1、什么是甲羟戊酸（mevalonate）？它有什么用？

甲羟戊酸，听起来有点拗口，但其实它是一种非常重要的有机化合物。你可以把它想象成细胞里的“建筑材料”，是合成很多重要物质的原料。

甲羟戊酸是合成胆固醇、类异戊二烯化合物（比如维生素A、E、K）等物质的前体。这些物质在我们身体里扮演着各种各样的角色，比如维持细胞膜的稳定性、参与能量代谢、帮助我们看到世界等等。甲羟戊酸为什么重要？ 因为甲羟戊酸是合成很多生命活动必需物质的“中间站”，如果它出了问题，就会导致一系列疾病。比如，高胆固醇血症就是由于体内甲羟戊酸合成过多导致的。

2、什么是合成生物学？它如何帮助我们改造生物体？

合成生物学就是人工合成生命或者改造生命。它是一门新兴的交叉学科，结合了生物学、工程学、计算机科学等多个领域。

合成生物学家可以像工程师设计电路一样，设计和构建新的生物系统，或者修改现有的生物系统。比如，他们可以把一种生物的基因转移到另一种生物体内，让它产生新的功能。

合成生物学让细菌或酵母菌生产我们需要的物质，比如药物、燃料、化学品等；他可以设计新型生物传感器， 监测环境污染物、诊断疾病；还可以创造新型生物材料， 开发出具有特殊性能的生物材料，用于医疗、环保等领域。

3、二氧化碳如何转化为甲羟戊酸？这个过程的原理是什么？

二氧化碳转化为甲羟戊酸，这个过程听起来很神奇，但其实就是利用生物体本身的代谢能力。整个过程就像是一个生产线，二氧化碳作为原料，经过一系列酶的催化作用，最终产生成品甲羟戊酸。

它的工作原理：科学家们通过基因工程技术，将一些能利用二氧化碳的基因引入到微生物体内。这些基因编码的酶可以催化一系列化学反应，将二氧化碳固定下来，并逐步转化为甲羟戊酸。

二、这项研究成果的意义

传统上，二氧化碳被视为一种废气。这项研究通过微生物工程，将二氧化碳转化为有价值的化学品，为解决全球气候变化问题提供了一种新的思路。通过对微生物代谢途径的深入研究和改造，验证了合成生物学在构建人工生物系统方面的巨大潜力。 传统的化学合成过程往往会产生大量的污染物，而这项研究通过生物合成的方式，实现了更环保、更可持续的生产过程。

这项研究的潜在影响是深远的。通过固定和利用二氧化碳，有助于减少大气中的温室气体浓度，减缓全球气候变暖。 甲羟戊酸是许多重要化合物的原料，其生物合成方法可以减少对石油等不可再生资源的依赖。 生物合成过程更加环保，可以减少传统化学合成带来的环境污染。 为生物技术产业的发展提供新的机遇，创造更多的就业机会。

总结来说，这项研究为解决全球气候变化、实现可持续发展提供了新的思路和方法。

三、这项研究与其他碳捕获利用技术相比的优势

这项将二氧化碳转化为甲羟戊酸的研究，不仅解决了碳捕获与利用的问题，而且为生物制造、绿色化学等领域提供了新的技术思路。与其他碳捕获利用技术相比，具有产品价值高、绿色环保、技术可扩展性强、创新性强、与其他生物过程结合的潜力等优势。

1. 产品价值高:与将二氧化碳转化为相对简单的化合物（如甲醇、甲烷）相比，这项研究直接将二氧化碳转化为甲羟戊酸，这是一种具有广泛应用的重要的生物化学中间体。甲羟戊酸可以作为多种高价值产品的原料，如药物、香料、色素等，增加了产品的市场价值。

2. 绿色环保: 生物合成过程通常在温和的条件下进行，不需要高温高压，减少了能源消耗。与传统的化学合成相比，生物合成过程产生的废物更少，对环境的污染也更小。

3. 技术可扩展性强:利用微生物作为“细胞工厂”进行生产，具有很强的可扩展性。通过优化培养条件和基因工程手段，可以实现大规模生产。可以利用现有的生物技术平台和工艺进行生产，降低了产业化的门槛。

4. 与其他生物过程结合的潜力:甲羟戊酸的生物合成过程可以与其他生物过程（如发酵、生物转化）相结合，形成更加完整的生物炼制体系。通过优化整个生物炼制过程，可以提高资源利用效率，降低生产成本。

5. 创新性强:这项研究开辟了二氧化碳转化的新途径，为合成生物学领域提供了新的研究方向。通过对微生物代谢网络的深入研究和改造，推动了合成生物学的发展。

四、当前这项技术还存在哪些限制？

当前这项技术还存在产率较低、成本较高、下游分离纯化难度大、工艺稳定性有待提高等问题。

• 产率较低: 相比传统化学合成，生物合成过程的产率往往较低，需要通过优化培养条件、改造微生物代谢途径等方式提高产率。
• 成本较高: 生物合成过程涉及复杂的培养基、设备和工艺，导致生产成本较高。
• 下游分离纯化难度大: 生物合成产物往往混杂在复杂的细胞培养液中，分离纯化过程较为复杂，增加了生产成本。
• 工艺稳定性有待提高: 生物系统对环境条件较为敏感，微生物生长和代谢过程容易受到外界干扰，影响工艺的稳定性。

总结来说， 这项技术的发展具有巨大的潜力，但仍面临一些挑战。随着科学技术的不断进步和人们对绿色环保的日益重视，这项技术将在未来得到更广泛的应用，为实现可持续发展做出贡献。

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