作者：Xue Yang*, Yuyue Ma, Junjun Yan, Guoping Zhao*, Yanfei Zhang*

01 论文信息

论文信息

Xue Yang, Yuyue Ma, Junjun Yan, Guoping Zhao and Yanfei Zhang. LATCH: a Linear Autocatalytic cycle Tailored for Carbon Harvesting[J].Green Carbon, 2025.

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2025.10.003

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LATCH: a Linear Autocatalytic cycle Tailored for Carbon Harvesting

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Green Carbon文章 | 新型人工二氧化碳同化途径

02 背景简介

自然固碳过程为地球生命提供了赖以生存的有机碳资源。提升卡尔文循环效率或探索其高效替代路线，对促进社会可持续发展至关重要。当前，卡尔文循环及其固碳酶Rubisco面临严峻的自然进化瓶颈，而人工替代途径的种类和效率仍处于起步阶段，尚无法满足提升自然产能或用于生物制造的迫切需求。

在此背景下，中国科学院天津工业生物技术研究所张燕飞研究员、赵国屏院士研究团队提出了一条全新的人工固碳途径LATCH（linear autocatalytic cycle tailored for carbon harvesting），相关成果发表于Green Carbon期刊。

LATCH途径采用乙醛酸还原酶将TaCo模块和丝氨酸循环相连接，展现出动力学与热力学上的系统优势，为合成自养研究提供了极具潜力的中心代谢路线：在自养属性上，LATCH较依赖卡尔文循环提供底物的TaCo模块更独立，较需要甲酸输入的丝氨酸循环更纯粹。未来，LATCH有望在光合微生物、植物及细胞工厂等系统中实现应用，为绿色低碳生物制造提供支撑。

03 文章简介

汲取天然途径运转经验，规避碳重排引发的动力学风险

已知经典途径在碳流与循环代谢物再生机制上存在规律。例如，卡尔文循环、核酮糖单磷酸途径（Ribulose Monophosphate Pathway，RuMP）和木酮糖单磷酸途径（Xylulose Monophosphate Pathway，XuMP）等途径每轮固定一个碳原子而输出三碳产物，因此需要历经碳重排。丝氨酸循环、THETA和CETCH循环等途径则可每轮固定两个碳原子并输出二碳产物，从而避免了碳重排。碳重排过程犹如“翻花绳”游戏，具有元素保守性和产物多样性，可实现循环代谢物再生的同时，也给途径带来了动力学陷阱风险。

图1. 磷酸戊糖途径的碳重排特征

追溯人工途径演化进程，重组羧化模块启动固碳新循环

以强化卡尔文循环为目标的途径设计工作包含两方面的努力：拉动主产物转化，或促进副产物回收。Hong Yu和James C. Liao团队基于丝氨酸循环（图2a）开展了系列研究。他们最初开发了简短的、绕开有毒代谢物的丝氨酸循环改良版本，确保途径和底盘菌株兼容的前提下在异源宿主中实现甲酸和CO₂向乙酰辅酶A的转化（图2b）。此外，该团队将途径中氨基酸的脱氨和转氨步骤替换为脱羧过程，形成了MCG循环（图2c），该模块摆脱了甲酸的参与，可用于将卡尔文循环产生的甘油酸3-磷酸以负碳过程转化为乙酰辅酶A。与此同时，Arren Bar-Even和Tobias J. Erb两个团队联合为卡尔文循环开发的副产物回收模块中，TaCo模块能够负碳回收Rubisco副产物2-磷酸乙醇酸。作者发现，仅需添加一个酶促反应，即可实现丝氨酸循环和TaCo模块两条路线的羧化模块重组，从而形成全新的、不依赖甲酸和初始有机物的从头二氧化碳同化途径（图2d）。

图2. 丝氨酸循环及其衍生途径（包括与TaCo模块的重组方式）

解析新型途径核心特征，揭示动力学与热力学系统优势

由于两个亲本羧化模块的酶和代谢物呈正交性，最终形成的LATCH途径（图3）每轮可固定两分子CO₂，同时避免代谢物串扰和分支反应。LATCH途径的总反应为：2HCO₃⁻+4NAD(P)H+4ATP+CoA→Acetyl-CoA+4NAD(P)⁺+3ADP+3Pi+AMP+PPi+H₂O。在该设计中，添加的乙醛酸还原酶（GlyR）在两亲本模块间起到“分子门闩（latch）”的作用。经途径动力学分析，表明途径中10个步骤的酶活性均与途径通量呈单调递增，与自身通量控制系数呈单调递减，且途径通量控制系数加和恒为1，满足线性加和定理，因此途径为线性的自催化循环。正是途径中各步骤对称轮换式的结构特征，可使其天然免去动力学陷阱风险和对复杂调控关系的需求。同时，10个步骤中，有8个步骤均得到ATP、还原力和高能底物的助力，其余2个步骤为脱水（#5）和裂解（#9）过程，亦无热力学障碍。用于途径评估的模型文件详见GitHub（https://github.com/yangxue1204/LATCH）。

图3. LATCH循环途径

总结与展望

本研究通过重组已知羧化模块，形成了一条具有线性自催化循环特征的全新人工固碳途径——LATCH。该途径包含10个完全已知的酶促反应步骤，是目前报道的最短的可在非厌氧条件下运行的CO₂ 向乙酰辅酶A转化途径。驱动LATCH运转的能量形式高度简并，仅需ATP和NADPH两种形式。动力学与热力学分析更为有力地表明，LATCH途径极具可行性和持续开发价值。

04 作者简介

赵国屏 院士

赵国屏，分子微生物学家，中国科学院院士，发展中国家科学院院士，美国微生物科学院院士。现任复旦大学生命科学学院微生物学和免疫学系主任，中国科学院上海营养与健康研究所生物医学大数据中心首席科学家，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所首席科学家，中国科学院分子植物科学卓越创新中心合成生物学重点实验室专家委员会主任，山东大学公共卫生学院健康医疗大数据研究院/国家健康医疗大数据研究院首席科学家。研究领域涉及微生物基因组学、系统与合成生物学以及生物信息学等方面。曾参与启动中国人类基因组计划及相关生命“组学”研究，克隆若干遗传病致病基因；主持若干重要微生物的基因组、功能基因组、比较和进化基因组研究，解析SARS冠状病毒分子进化机制。在细菌蛋白质乙酰化组和肠道微生物组等领域作出若干开创性工作。组建并领导中国科学院合成生物学重点实验室，在酵母染色体重构，代谢组与代谢流量组研究，天然化合物细胞工厂制造，基因编辑技术研发等方向上，实现重要突破。近年来，参与组建并领导中国科学院上海生命科学研究院（现营养与健康研究所）生物医学大数据中心，为建设国家生物医学大数据综合性服务平台做好生物医学大数据的基础性工作。

张燕飞 研究员

张燕飞，研究员，博士生导师，Green Carbon青年编委，任职于中国科学院天津工业生物技术研究所，担任国家合成生物技术创新中心大师工作室（多肽与蛋白质工程研究中心）执行主任、中国科学院天津工业生物技术研究所-澳门大学中医药合成生物学联合实验室工作联络组组长；分别于中南大学和加拿大阿尔伯塔大学获得微生物学和生物化学博士学位；2015年至2020年在普林斯顿大学从事合成生物学及代谢工程方面的博士后研究工作，于2020年加入天津工业生物技术研究所开展蛋白质工程与合成生物学研究工作，目前作为课题/项目负责人承担国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目（课题）和天津市合成生物技术创新能力提升行动项目等科研项目。在行业、专业学会/协会中，担任中国微生物学会科技开发与咨询工作委员会委员、中国有色金属学会贵金属学委会委员、天津市微生物学会理事、天津市石油和化学工业协会常务理事等职务。近年来在Nature，Nature Biotechnology，Nature Communications，Nucleic Acids Research, Biotechnology Advances，Journal of Hazardous Materials等国内外期刊发表论文40余篇，申请专利31项，包括PCT申请3件。

杨雪 副研究员

杨雪，副研究员，Green Carbon青年编委，主要从事一碳合成生物学研究。主持国家自然科学基金青年项目、天津市合成生物技术创新能力提升行动项目、中国博士后基金等多项课题，以第一作者或通讯作者发表学术论文10余篇，申请专利15项。主导或参与GAA、gSer-tSer、LATCH、GAPA、ASAP、SACA等新型固碳途径的设计、实施和解析工作，开发了酶热多约束建模框架ETGEMs，构建了首个大肠杆菌酶热多约束模型EcoETM，并提出酶微区室化理论，有效提升代谢网络途径及靶点的预测准确性。目前主要研究方向为基于合成自养途径的微生物细胞工厂创制。

05 Green Carbon

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