科学家利用合成生物学，重建高效固碳通路

全世界的植物通过光合作用，每年能够固定超过一千亿吨的二氧化碳。然而，随着人类社会的发展，大量化石燃料的燃烧，提高了大气的二氧化碳浓度，进而导致了包括温室效应在内的全球性环境问题。单凭植物自身的固碳作用，已经无法保证大气中二氧化碳含量的稳定。

在生物体内，二氧化碳的固定过程本质上是一系列酶促反应。其中最为关键的酶之一是RuBP羧化酶（RuBisCO），RuBisCO实际上也是地球上总量最大的一种蛋白质。RuBisCO尽管被绝大多数植物选择作为碳固定中的第一个羧化酶，但它依然存在效率偏低、而且容易发生氧化反应的缺陷，这限制了碳固定效率的提高。

来自德国的科学家们，就利用合成生物学在细菌中重建了一套全新的人工固碳通路。

科学家们对所有已知的羧化酶系进行了生物化学和酶动力学检测，将目光集中在了一类来源于α-变形菌及链霉菌体内的、烯酰辅酶A依赖的羧化/还原酶（ECRs）体系上。相比于RuBisCo，ECRs能够专一且高效的催化二氧化碳的固定，效率达到前者的2-4倍。经过进一步筛选，他们将ECRs中的巴豆酰-辅酶A羧化/还原酶（CCR）确定为人工固碳过程的第一个催化酶。而充当二氧化碳“接受者”的分子，则就是巴豆酰-辅酶A。

随后，科学家们又在来源于整个生物界的三大域——古菌域、真细菌域和真核域的9种不同的生命体中找到了完成整个过程所需的17种酶类。通过基因工程，修改了在固碳循环中起到脱氢作用的甲基琥珀酰辅酶A脱氢酶（Mcd）的三个氨基酸，将其转化为可以直接用氧气分子作为氢受体的甲基琥珀酰辅酶A氧化酶（Mco）。这样大大加快了这一过程的反应速率。

通过对来源于不同生物体酶的组合与改造，科学家们最终构建起了一条能够固定二氧化碳的全新的通路，这一通路是完全人工构建的，自然界中从来没有存在过。科学家根据这一通路中三个关键中间化合物的名字（巴豆酰辅酶A、乙基丙二酰辅酶A、羟丁酰辅酶A）的首字母命名为CETCH通路。

经过优化，这一通路的固定二氧化碳的速度可达5nmol每分钟每毫克蛋白，可达到相当于卡尔文循环的十余倍的程度。这条全新的碳固定通路，能够源源不断的将CO2转化为苹果酸，一种可以被后续利用的有机物。

CETCH通路不仅固定二氧化碳速度更快，并且对能量的利用率更高。科学家们已经开始设想将CETCH这条通路和光合作用中生成能量的光解和电子传递途径结合起来，来进一步实现可持续性的人工二氧化碳固定。如果这一目标能够实现，那么无论是对于有机物的合成，还是缓解温室效应等环境问题，都有着极其重要的意义。

这条全新的人工二氧化碳固定通路的构建，体现出了合成生物学的巨大潜能。