细菌将二氧化碳转化为有价值的化学物质

诸平

Synthetic biologists have engineered bacteria to convert carbon waste into valuable chemicals. The carbon-negative approach could contribute to a net-zero emissions economy. Credit: Justin Muir

据美国西北大学（Northwestern University）2022年2月21日提供的消息，细菌可以将碳废料转化为有价值的化学物质（Bacteria upcycle carbon waste into valuable chemicals）。

众所周知，细菌可以分解乳糖制造酸奶。现在，由美国西北大学和朗泽公司（LanzaTech）领导的研究人员已经利用细菌分解废物二氧化碳(CO₂)来制造有价值的工业化学品。

在一项新的试点研究中，研究人员选择、设计和优化了一种细菌菌株，然后成功地证明了其将CO₂转化为丙酮[(CH₃)₂CO]和异丙醇[isopropanol简称IPA，(CH₃)₂CHOH]的能力。这种新的气体发酵过程不仅可以去除大气中的温室气体，还可以避免使用化石燃料，而化石燃料通常是产生丙酮和IPA所必需的。在进行了生命周期分析后，研究小组发现，如果广泛采用这种碳负平台(carbon-negative platform)，与传统工艺相比，可以减少160%的温室气体排放。这项研究于2022年2月21日已经在《自然生物技术》（Nature Biotechnology）杂志网站发表——Fungmin Eric Liew, Robert Nogle, Tanus Abdalla, Blake J. Rasor, Christina Canter, Rasmus O. Jensen, Lan Wang, Jonathan Strutz, Payal Chirania, Sashini De Tissera, Alexander P. Mueller, Zhenhua Ruan, Allan Gao, Loan Tran, Nancy L. Engle, Jason C. Bromley, James Daniell, Robert Conrado, Timothy J. Tschaplinski, Richard J. Giannone, Robert L. Hettich, Ashty S. Karim, Séan D. Simpson, Steven D. Brown, Ching Leang, Michael C. Jewett, Michael Köpke. Carbon-negative production of acetone and isopropanol by gas fermentation at industrial pilot scale. Nature Biotechnology (2022). DOI: 10.1038/s41587-021-01195-w. https://www.nature.com/articles/s41587-021-01195-w

参与此项研究的除了美国西北大学和朗泽公司的研究人员之外，还有来自美国田纳西州橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory, TN, USA）以及田纳西大学（University of Tennessee, Knoxville, TN, USA）的研究人员。

这项研究的联合通讯作者、西北大学的迈克尔·朱伊特(Michael Jewett)说：“不断加剧的气候危机，加上人口的快速增长，给人类带来了一些最紧迫的挑战，所有这些都与整个生物圈中CO₂的不断释放和积累有关。通过利用我们的能力与生物学合作，在可持续和可再生的基础上，在需要的时候、在需要的地方制造需要的东西，我们可以开始利用现有的CO₂来改变生物经济（bioeconomy）。”

迈克尔·朱伊特是西北大学麦考密克工程学院沃尔特·墨菲化学和生物工程教授（Walter P. Murphy Professor of Chemical and Biological Engineering at Northwestern's McCormick School of Engineering），合成生物学中心(Center for Synthetic Biology)主任。他与朗泽公司(LanzaTech)的两位研究人员迈克尔·克普克(Michael Köpke)和京良（Ching Leang）共同领导了这项研究。他们3人是上述论文的联合通讯作者。

丙酮和IPA是必要的工业化学品，几乎无处不在，全球市场总额超过100亿美元。IPA被广泛用作消毒剂和防腐剂，是世界卫生组织（World Health Organization）推荐的两种消毒剂配方中的一种的基础成分，这两种配方对杀灭SARS-CoV-2病毒非常有效。而丙酮是许多塑料和合成纤维、稀释聚酯树脂、清洁工具和洗甲水（nail polish remover）的溶剂。虽然这些化学物质非常有用，但它们是从化石资源中生产的，生产过程会导致气候变暖的CO₂排放。

为了更可持续地生产这些化学品，研究人员开发了一种新的气体发酵工艺。他们从朗泽公司设计的一种厌氧菌——Clostridium autoethanogenum开始研究。然后，研究人员使用合成生物学工具对该细菌进行重新编程，使其发酵CO₂，生成丙酮和异丙醇。

迈克尔·朱伊特说:“这些由无细胞策略领导的创新，指导了菌株工程和途径酶的优化，将生产时间缩短了一年多。”

西北大学和朗泽公司的研究团队相信，开发的菌株和发酵工艺将会转化为工业规模。这种方法也可以应用于制造其他有价值的化学物质的简化过程。

朗泽公司首席执行官詹尼弗·霍姆格伦（Jennifer Holmgren）说:“这一发现是避免气候灾难的重要一步。今天，我们的大多数商品化学品完全来自新的化石资源，如石油、天然气或煤炭。丙酮和IPA就是两个例子，它们的全球总市场价值达100亿美元。开发的丙酮和IPA产生途径将通过关闭碳循环来加速其他新产品的开发，供其在多个行业中使用。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Engineered bacteria show promise for sustainable biofuel industry, researchers say

Abstract

Many industrial chemicals that are produced from fossil resources could be manufactured more sustainably through fermentation. Here we describe the development of a carbon-negative fermentation route to producing the industrially important chemicals acetone and isopropanol from abundant, low-cost waste gas feedstocks, such as industrial emissions and syngas. Using a combinatorial pathway library approach, we first mined a historical industrial strain collection for superior enzymes that we used to engineer the autotrophic acetogen Clostridium autoethanogenum. Next, we used omics analysis, kinetic modeling and cell-free prototyping to optimize flux. Finally, we scaled-up our optimized strains for continuous production at rates of up to ~3 g/L/h and ~90% selectivity. Life cycle analysis confirmed a negative carbon footprint for the products. Unlike traditional production processes, which result in release of greenhouse gases, our process fixes carbon. These results show that engineered acetogens enable sustainable, high-efficiency, high-selectivity chemicals production. We expect that our approach can be readily adapted to a wide range of commodity chemicals.