设计更有效的二氧化碳治理系统

尽管表达对二氧化碳转化为糖，例如有机化合物酶地球上的生物体的巨大多样性-作为植物做通过光合作用-利用这些功能的努力转化CO 2转化为高价值产品，如生物燃料和可再生化学品的成功有限。虽然增加的CO浓度2在大气中形成了挑战，研究人员还认为这是一个机会。

现在，来自德国马尔堡陆地微生物学Max-Planck研究所(MPI)的团队通过利用美国能源部联合基因组研究所(DOE JGI)的DNA合成专业知识，反向设计了一种生物合成途径，以获得更有效的碳固定。这种新途径基于新的CO 2固定酶，其比自然界中最普遍的酶快近20倍，其通过使用太阳光作为能量来捕获植物中的CO 2。该研究发表在2016年11月18日的“ 科学 ”杂志上。

“我们已经看到直接组装生物体内CO 2固定合成途径的努力到目前为止还没有成功，”负责这项研究的MPI的Tobias Erb说。“因此，我们采用了一种截然不同的简化方法，通过在试管中自下而上地组装合成主成分。”

该团队从几个理论上的CO 2固定路线开始，这可能导致持续的碳循环。但他们并没有就此止步。“我们并没有将我们的设计工作局限于已知的酶，而是考虑了所有似乎在生物化学上可行的反应，”Erb说。

与从生物体基因组中读取生命语言的DNA测序不同，DNA合成首先需要鉴定特定的遗传元件 - 例如用于固定大气中碳的酶 - 并在新的中编写和表达该代码系统。

最后，他们通过测序和合成，从三个生命王国的9种不同生物体中获取了17种不同的酶，并精心策划了这些部分，以实现原理CO 2 -固定途径性能的证明，超过了在自然界中可以发现的性能。 。Erb将其称为巴豆酰-CoA /乙基丙二酰基-12CoA /羟基丁酰基-CoA的“CETCH循环”。因为它cetches'CO 2更有效地从大气中。

通过部署代谢“反复合成”的概念，将反应一步一步地拆解回较小的前体，该团队调整了热力学条件并提出了一种策略，该策略产生了更有希望的结果，与天然代谢途径有利地竞争。然后，他们探测了公共数据库的深度，以寻找支持他们模型的酶，并选择了几十种来试验。

“我们首先逐步重构其中心CO 2 -固定反应序列，提供催化所有所需反应的成分。然后，通过以下CO的通量2我们发现了特定的键反应限速“。

事实证明，甲基琥珀酰辅酶A脱氢酶(Mcd)是参与呼吸的酶家族的一部分 - 生物细胞中的代谢反应将碳等营养素转化为能量单位。

“为了克服这个限制，我们设计了Mcd使用氧气作为电子受体，以增强功能，但这还不够，”Erb说。“我们不得不用替代反应序列取代原始途径设计，使用进一步的酶工程来减少混杂酶的副反应，并引入校正酶来纠正死端代谢物的形成，”Erb说。

为了支持MPI团队的努力，DOE JGI通过其社区科学计划合成了数百种Enoyl-CoA羧化酶/还原酶(ECR)酶变体。这使得MPI团队能够在具有最高CO 2固定活性的ECR上归零，从而在试管中成功构建更有效的人工CO 2固定途径。

“的ECR是增压的酶，它们能够固定CO的2在比最广泛流行CO快近20倍速率2在自然界-定影酶，RUBISCO，其执行参与光合作用繁重，” Erb的说。

该化学过程线束阳光把二氧化碳转化成细胞能够与行星上的其他自然过程沿着作为能量使用并占约350十亿吨二氧化碳的转化糖2每年。

七十年前，这种现象俘获了早期伯克利实验室研究员梅尔文·卡尔文的想象力，梅尔文·卡尔文与安德鲁·本森和詹姆斯·巴斯汉姆一起描述了植物，藻类和微生物，这个循环现在以他们的名字命名，而凯文被授予诺贝尔奖1961年获奖。

这一代研究人员关注如何捕获过量的二氧化碳，将其从大气中清除，并将其转化为能源和天然产品以促进经济发展。

“现在伯克利实验室通过DOE联合基因组研究所，一直是我们了解微生物的巨大遗传多样性及其在环境中的作用的主要贡献者，特别是在碳循环中，” DNA合成科学负责人Yasuo Yoshikuni说。DOE JGI的小组。“通过从生态学上重要的利基中对未充分探索的门进行测序，我们已经掌握了我们现在能够在实验室中合成的基因和途径，以揭示自然用于碳代谢的新策略。鉴定编码CO这些基因2 -定影酶和它们的生物学功能，是重要的缺件在气候难题之一“。

由于成功地在试管中重建合成酶网络以将CO 2转化为优于化学过程的有机产品并且与自然界中的那些有利地竞争，因此，Erb表示这为其他未来应用打开了大门。

“这些可能包括将合成的CO 2 -固定循环引入生物体以支持自然光合作用，或者说，与光伏技术相结合，引领人工光合作用的方式，这可能最终启动自我维持的设计，完全合成细菌和藻类系统中的碳代谢。“

Yoshikuni展望未来DNA测序和生物功能进一步融合利用DNA合成的未来。“通过DOE JGI的高通量测序能力以及DNA合成价格的快速下降，我们继续使我们的用户群体揭示微生物和微生物群落的生理潜力。从长远来看，我们希望看到这些试管结果能够产生新一代真正的生物产品，以解决关键的能源和环境挑战。“

这项工作的更广泛意义在于大大说明“工程思维”在生物技术中的作用日益增强，因为从高通量基因组测序中出现的生物“部件清单”的加速表征为生物体的设计能力提供了更大的重建机会。解决生物能源和环境中的DOE任务需求。

该研究得到了欧洲研究委员会，瑞士国家科学基金会，苏黎世联邦理工学院和马克斯普朗克学会的支持。DOE JGI是DOE科学用户设施办公室。