人工CO2同化途径的系统设计与评估：突破碳固定效率瓶颈的新策略

为应对工业与生物农业发展中CO2管理的挑战，研究人员利用comb-FBA算法系统探索了136条C2和576条C3人工碳固定途径，鉴定出12条高效、热力学可行的新途径，为可持续生物制造和气候变化缓解提供了创新解决方案。

　　

随着工业化和生物农业的快速发展，CO₂的高效管理已成为人类面临的重大挑战。自然界中已发现8种天然碳固定途径，如卡尔文循环(CBB cycle)和逆向三羧酸循环(rTCA)，但这些途径受限于进化局部最优性，存在步骤冗长、能耗高等问题。近年来，人工设计的碳固定途径如CETCH和THETA循环虽展现出潜力，但其探索仍处于初级阶段。如何突破自然途径的限制，设计更高效的人工碳固定系统，成为合成生物学和代谢工程领域亟待解决的科学问题。

中国科学院的研究团队在《Synthetic and Systems Biotechnology》发表了一项开创性研究。该研究采用comb-FBA（组合通量平衡分析）算法，从MetaCyc数据库中提取49个CO₂/HCO₃^?相关反应，结合6,529个代谢反应，系统计算了人工碳固定途径。通过热力学评估（MDF分析）和酶学参数比较，最终鉴定出12条不超过20步的高效途径，其中3条全新途径（P5、P6、P10）具有显著的应用潜力。

研究主要运用了四项关键技术：1) comb-FBA算法进行全组合途径计算；2) 基于eQuilibrator平台的代谢网络热力学分析；3) 酶催化效率(k_cat/K_m)数据库挖掘；4) Cytoscape构建代谢转化网络。

【3.1 基于comb-FBA的CO₂同化途径计算】
研究团队通过comb-FBA算法对49个碳固定反应进行19,649次计算，筛选出16个核心反应。这些反应可形成136条C₂和576条C₃产物途径，其中7个反应（如1_CCR、12_ECH）未见于天然途径。值得注意的是，C₃+C₁类反应（如2_CCR、8_PYC）形成的途径步骤更简洁。

【3.2 途径步骤分析揭示碳固定多样性】
对20步以内的途径分析显示，2_CCR、5_PCC等反应在C₂产物途径中出现频率最高，而9_PFOR、11_KOR在C₃途径中占优。与天然CBB循环（14步）相比，新发现的5_PCC+9_PFOR组合仅需10步，能耗降低66%。

【3.3 碳固定模式的发现】
研究揭示了四种碳固定模式：

1. C₁+C₃→C₄→C₅→C₂+C₃（如CETCH变体P3，MDF达16.61 kJ/mol）
2. C₁+C₂→C₃→C₄→C₂+C₂（如POAP变体P4，节能25%）
3. C₁+C₄→C₅→C₆→C₂+C₄（全新模式，P7途径仅7步）
4. 多步碳加成模式（P10途径整合1_CCR+2_CCR+3_ACC）

【3.4 代谢转化网络的模块化替代】
研究发现关键代谢节点存在替代路径，如C₁+C₃→C₄可通过5_PCC（Δ_rG°=?7 kJ/mol）、6_PPC（?15 kJ/mol）或8_PYC三种方式实现。这种模块化为途径优化提供了灵活性。

这项研究通过系统性计算构建了人工碳固定途径库，其重要意义体现在三方面：首先，P5（乙酰辅酶A途径）、P6（草酸途径）和P10（丙酮酸途径）等新途径在步骤数（13-18步）和能耗（1-2.5 ATP/CO₂）上优于天然途径；其次，发现的碳固定模式为理性设计提供了理论框架；最后，代谢模块分析显示，通过替换热力学更优的反应模块（如6_PPC替代8_PYC），可进一步提升途径效率。尽管部分途径存在酶氧敏感性（如11_KOR需厌氧环境）等实施挑战，但这项工作为开发下一代碳负排放技术奠定了坚实基础，对实现"双碳"目标具有重要战略意义。