生物学家讨论了一种固定二氧化碳和合成生物学的合成代谢途径

由马里堡马克斯普朗克陆地微生物研究所的Tobias Erb及其同事开发的合成代谢途径将大气中的二氧化碳转化为有机物质，比植物能够通过光合作用更有效。我们询问研究人员这个过程对气候保护有何意义，讨论了研究小组为实现目标必须克服的障碍，并研究了合成生物学开辟的新观点。现在，固定二氧化碳的合成代谢途径是否是抑制气候变化的有效手段?

首先，我们的目标是了解气态二氧化碳如何转化为有机分子的基本生物和化学原理。我们的主要动机不是阻止气候变化。我们正在寻求利用生物方法开发大气中的二氧化碳作为未来的碳源。生产二氧化碳中性过程甚至是从大气中去除二氧化碳并对气候产生积极影响的过程将是一种极好的次要影响。

不过，我相信有很多方法可以阻止气候变化。最简单的开始是每天节约能源。我也认为我们可以利用和改善CO2固定的生物学。设计师的代谢途径，每个CO2分子消耗更少的能量，或更快地从大气中固定CO2，显然代表了一种生产基于CO2的生物技术的有趣方法。

您目前的流程与应用程序有多接近?

我们的工作主要还是纯粹的基础研究。我们成功地在试管中新建了一个基本的生命过程 - 将二氧化碳转化为有机物质 - 这是有史以来第一次。我们在试管中有效地产生了代谢器官。然而，将这种代谢器官移植到生物体中代表了完全不同的挑战。

为什么移植到活细胞会面临这样的挑战?

我们无法预测由17个反应组成的循环如何在同时发生3,000种不同反应的细胞中起作用。成功的移植显然需要花费大量时间。马克斯普朗克协会为我和我的集团提供了关注下一个复杂步骤的机会，但结果远非确定。虽然我们的计算基本上表明我们的新路径可以比植物中的天然代谢途径以更节能的方式发挥作用，但我们必须在实验中证明这一点。

开发合成代谢途径最困难的方面是什么?

最大的困难是没有设计绘图板上的代谢途径 - 只用了一两个星期。但是，我们花了两年多时间在实验中实施理论循环。首先，我们必须找到循环的所有个体生物成分，酶，并将它们结合在一起。我们必须从超过5000万个已知基因和40,000种酶中鉴定出少数潜在候选物，并单独测试它们并与其他组分相互作用。

你有什么障碍，你最初无法进步吗?

我们无法让这个循环长时间工作。问题在于，一种酶最初只能使用化学试剂 - 一种精确的含铁化合物 - 这使得其他酶絮凝，从而将它们从溶液中除去。我们首先必须转换这种酶，将其用作与其他合作伙伴兼容的氧气剂。

你在路上遇到了哪些其他问题?

第二个主要障碍是这个循环在开始时只能缓慢起作用并且很快就会动摇。这是由于反应错误太多。我们最终发现乍一看似乎是一种非传统的解决方案。我们只是在循环中添加了更多的酶。这些额外酶的任务只是纠正循环内的反应错误。作为生物学家，我们显然对这些代谢矫正循环的关注太少，但它们在自然代谢中似乎也非常重要。

合成方法在生物学方面仍然相对较新。这种方法与其他生物学科的方法有何不同?

作为生物学家，这种合成方法对我们来说仍然不寻常。我们习惯于将生物系统分开并进行分析，但不是从头开始构建新系统。我们必须在几个阶段缓慢地找到方向，因为我们事先几乎没有任何合成系统设计规则。例如，我们首先必须找出哪些酶是相容的，以及在创建复杂的生物系统时我们需要考虑哪些因素。自然界可能分离线粒体，核糖体和其他细胞器中的细胞过程，因为它们必须在不同的环境中发生并且彼此不相容。我们仍然需要确定何时最佳时间是将生化反应彼此分开。

合成生物学经常因寻求创造人造生命而受到批评。但是，你的工作是否也表明通常不是这样?

我们不希望扮演上帝的角色。在我看来，创造一个人造的活细胞还有很长的路要走。首先，学习重新编程个人生活过程是一个更现实的目标，这是我们在Max Planck Society的MaxSynBio网络上尝试做的事情。例如，如果我们能够开发一个能够修复和维持自身的生物生产周期，那就太棒了。与纯化学系统相比，生物系统通常在更温和的条件下工作。通过寻求重建这样的系统，我们提出了新的想法，因为我们看到许多酶在起作用。

合成生物学在哪些领域特别有用?

我认为我们甚至不能估计合成生物学的真正潜力。在这方面，我们或许应该从化学中取得领导，这种化学在19世纪的过程中逐渐从分析学科发展成为综合学科。这一转变为全新的材料和药物铺平了道路。我确信合成生物学可以取得类似的成就，但这种发展需要时间，我们必须首先了解如何构建复杂的生物系统的基本原则。

还有哪些主要障碍需要克服?

生物系统通常非常复杂并且相互联系很紧密，这使得复制它们并构建新的非常困难。酶不仅是促进化学反应的生物催化剂，而且还与其化学产品直接相关，因为该产品控制酶。一旦产生足够的物质，就会阻碍催化剂。在这方面，信息的功能和交换往往在生物系统中密切相关。

生物系统有其他特殊特征吗?

生物系统与技术系统不同，因为它们能够适应和发展。然而，这也意味着生物系统并不完美。只是因为酶产生错误并催化二次反应，才有机会开发新的功能。这有点像是错误地转动你的自行车一次并发现一个捷径回家。以完全相同的方式，酶也通过犯错来开发新的，改进的途径。

因此，为了使生物合成，我们必须了解如何将不完美，进化和复杂性整合到生物系统的结构中。需要更多的基础研究来理解基本规则。