综述：增强生物碳捕获的合成方法

这篇综述系统探讨了通过合成生物学策略优化生物碳捕获的前沿进展，聚焦于改造卡尔文-本森-巴沙姆（CBB）循环关键酶RuBisCO（核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶）的催化效率与特异性，并创新性整合人工碳浓缩机制（CCMs）、光能-化学能耦合系统及合成碳固定途径，为应对气候变化提供了可工程化的负碳生物合成方案。

　　

引言

地球主要的碳固定途径——卡尔文-本森-巴沙姆（CBB）循环依赖RuBisCO催化CO₂与核酮糖-1,5-二磷酸（RuBP）结合生成3-磷酸甘油酸（3PG）。尽管RuBisCO是生物圈最丰富的蛋白质，其低周转率（k_cat）和CO₂/O₂竞争性结合特性（S_C/O）严重限制了光合效率。

RuBisCO的进化与工程改造

四种RuBisCO亚型（I-IV）中，仅I-III型具有碳固定活性。实验室通过构建RuBisCO依赖型大肠杆菌（RDE）筛选系统，结合核糖-5-磷酸异构酶（rpi）敲除强制碳通量流向RuBP，成功筛选出降低CO₂米氏常数（K_m）的突变体。最新开发的3PG生物传感器实现了RuBisCO活性与酶丰度的同步定量，为高通量定向进化奠定基础。值得注意的是，RuBisCO活性位点外围残基的远程调控效应提示：多突变协同改造比单点突变更能显著提升催化性能。

碳浓缩机制（CCMs）的创新应用

自然界的碳浓缩策略包括：C4植物将CO₂暂存于苹果酸转运至维管束鞘细胞释放；蓝藻通过羧酶体（carboxysome）将碳酸酐酶与RuBisCO共定位；藻类利用吡咯体（pyrenoid）形成RuBisCO富集相。近期突破显示，将衣藻EPYC1 linker蛋白导入拟南芥可构建"原吡咯体"结构，为C3作物引入CCMs提供可能。

能量供给的合成生物学方案

光系统能量损失促使研究者开发光电-生物杂合系统：如将光电极电子通过黄素传递至贪铜菌（Cupriavidus necator）的MtrCAB膜复合体，实现无光自养生长。化学自养改造同样取得进展——仅需甲酸脱氢酶（FDH）、Prk和RuBisCO三组件，配合适应性实验室进化（ALE）即可使大肠杆菌获得化能自养能力。

超越CBB循环的合成途径

还原甘氨酸途径（rGlyP）通过线性代谢将甲酸/CO₂直接转化为丙酮酸，已成功用于生产聚羟基丁酸酯（PHB）等高值化合物。Wood-Ljungdahl途径则利用一碳底物（CO/CO₂）合成丙酮、丁醇等化学品，展现了合成碳固定网络的巨大潜力。

未来展望

整合机器学习预测RuBisCO超突变体、开发热稳定性RuBisCO激活酶（Rca）、优化合成途径与宿主代谢的能荷平衡，将成为增强生物碳捕获效率的关键突破点。这些合成生物学策略不仅助力负碳技术发展，更为理解生命最基本的碳同化机制提供了全新视角。