突破自然界限：微生物细胞工厂中CO2衍生生物合成的挑战与创新路径

为应对化石能源消耗导致的CO2排放问题，武汉大学等团队系统分析了微生物细胞工厂中CO2衍生生物合成的四大关键维度：实时代谢监测、非天然代谢途径重构、动态代谢调控及化学-微生物耦合系统。研究提出光遗传学、电催化-微生物杂合体系等创新技术，实现了淀粉合成速率较自然体系提升8.5倍，为碳中和目标提供了革命性生物制造方案。

　　

随着全球变暖加剧，化石燃料燃烧产生的CO₂排放已成为人类面临的重大挑战。尽管《巴黎协定》设定了碳中和目标，但传统工业生产仍高度依赖不可再生资源。在这一背景下，微生物细胞工厂（Microbial Cell Factories）因其能将CO₂转化为高值化学品的能力，成为绿色制造的核心技术。然而，现有系统面临代谢监测滞后、自然途径效率低下、能量匹配困难等瓶颈，亟需突破性解决方案。

武汉大学化学与分子科学学院联合合肥综合性国家科学中心等机构，在《Cell Reports Physical Science》发表前瞻性研究，从四大维度提出创新策略：1）开发持久发光探针（verifier）和GFP生物传感器实现代谢动态可视化；2）通过计算设计构建人工淀粉合成途径（ASAP），速率达玉米自然合成的8.5倍；3）利用光遗传学电路动态调控代谢流；4）创建CdS-微生物杂合系统实现太阳能驱动CO₂转化。研究整合单细胞组学、机器学习模型和电催化材料，为CO₂高值化提供了多学科交叉范式。

关键技术方法
团队采用持久发光纳米探针实时追踪Fe循环代谢；通过基因组尺度模型设计非天然THETA循环途径；构建光敏感转录调控系统（如NdhR启动子工程）；开发ZnGaGeO:Ni等半导体材料耦合光合细菌。实验验证采用工程化大肠杆菌（E. coli）和红假单胞菌（Rhodopseudomonas palustris）等模式菌株。

微生物代谢分析方法的动态监测突破
Chen等设计的verifier探针首次实现Fe代谢循环可视化，使番茄红素产量提升2倍（图2B）。Hu团队开发的GFP报告系统（图2E）动态监测NdhR启动子活性，为CO₂固定模块优化提供依据。

超越自然的代谢途径重构
Cai等设计的ASAP途径（图3）将11种酶模块化组装，突破Calvin循环限制。Luo团队则通过THETA循环实现体外CO₂固定效率超越光合作用，并成功在体内分三模块表达。

动态代谢调控策略
Zhao等利用光脉冲控制发酵时序，使异丁醇产量翻倍。Xu设计的丙酮酸响应电路动态平衡中心代谢流，推动葡萄糖酸高产。

化学-微生物耦合系统创新
Chen开发的ZnGaGeO:Ni-细菌杂合系统（图1）实现8.3%光子转化效率。Liu团队电催化-微生物联合体系（表1）能量效率达10%，较自然光合提升3倍。

这项研究标志着CO₂生物制造从概念验证向工业化迈进的关键转折。通过整合合成生物学与材料科学，团队不仅建立了首个太阳能解耦生物杂合系统（solar-decoupled biohybrid），更开创了"设计-构建-测试-学习"的闭环研究范式。尽管规模化生产仍面临菌株耐受性、反应器设计等挑战，但该工作为碳中和目标下的负碳技术提供了可扩展的解决方案，有望在医药、能源和材料领域引发产业变革。未来需通过生命周期评估（LCA）进一步优化技术经济性，推动实验室成果向燃煤电厂等工业场景落地。