综述：技术驱动的二氧化碳固定革命：从自然途径到可编程生物系统

《Biotechnology Advances》：Technology-driven revolution in CO2 fixation: From natural pathways to programmable Biosystems

　　

陈树瑞|皮长宇|张博宇|吴欣|高乐|陈晓毅

摘要

自工业革命前以来，大气中的二氧化碳浓度持续上升，现已超过430 ppm，这对全球气候稳定构成了严重威胁。本文不仅探讨碳捕获技术，还总结了在技术驱动下的二氧化碳固定方面的最新进展，重点关注微生物转化系统。首先分析了卡尔文-本森-巴斯汉循环等自然途径的固有局限，这类途径由于能量转换效率低（低于1%）以及RuBisCO酶的效率问题而受限。随后讨论了通过工程改造天然途径以及全新设计合成路径（如rGly、CETCH、THETA循环）的方法，这些新途径具有更优的热力学和动力学特性，能够更高效地实现碳转化。CRISPR-Cas系统则打破了碳固定微生物的遗传障碍，使得人们能够精确调整微生物的代谢功能，将异养微生物转化为合成自养生物。此外，文章还详细介绍了微生物学与电化学、材料科学相结合的创新成果，比如微生物电合成技术和半人工光合作用系统。这些生物混合技术创造了协同作用的环境，让微生物能够利用电极或人工材料提供的电子来高效地将二氧化碳还原为多碳化合物，从而解决能源供应方面的难题。本文分析了从优化自然途径到构建定制化人工系统的转变过程，指出研究思路正从单纯的改进转向深度整合的不同范式。这种新范式融合了代谢工程、合成生物学、电化学和纳米材料技术，并以人工智能辅助的设计和建模为支撑。文章最后强调，将微生物功能、先进材料以及人工智能无缝结合，对于实现精准、高效且能实现碳负排放的二氧化碳固定至关重要，这为可持续的碳负生物制造奠定了基础，也有助于实现全球碳中和目标。