从零开始,高效固碳——科学家利用基因工程成功设计高效的生物学固碳反应回路

摘要

全球气候变化作为接下来很长一段时间内人类所必须面对的重大环境问题已经成为了科学界的共识,而降低气候变化导致的影响,除去节能减排来控制二氧化碳等温室气体的排放之外,固碳——设法将大气中已有的二氧化碳转化成为其他化合物——也吸引了不少科学家的注意力。

题图

全球气候变化作为接下来很长一段时间内人类所必须面对的重大环境问题已经成为了科学界的共识,而降低气候变化导致的影响,除去节能减排来控制二氧化碳等温室气体的排放之外,固碳——设法将大气中已有的二氧化碳转化成为其他化合物——也吸引了不少科学家的注意力。然而,现有的生物学固碳过程虽然规模庞大,在转化效率上都差强人意,难以被人们用来减缓二氧化碳的上升趋势。最近,一支由德国科学家 Tobias J. Erb 率领的,德国马克斯·普朗克研究所与瑞士苏黎世联邦理工学院研究人员组成的联合团队成功利用基因工程技术,设计了一条完整的生物学固碳反应循环通路。这条通路比自然界最常用固碳通路效率高上数倍,可能为人们对抗全球气候变化带来新的解决方案。他们的研究成果被发表在最近一期(11月17日)的《科学》杂志上。

研究团队这次使用了合成生物学的思路,不像传统基因工程那样在已有的反应回路上做文章,而是完全从头设计整个反应过程。在自然界的固碳反应中,羧基化(利用二氧化碳为原材料,在分子上添加一个羧基的过程)往往是决定效率的关键步骤,于是他们通过比较自然界中各类催化羧基化反应的酶,找到了效率比较高的一类(烯酰辅酶A)。然后从它开始,根据其上下游反应的情况一步一步将整个过程设计出来,随后去数据库中寻找能够催化每一步反应的酶是否存在,并利用基因工程技术将找到的酶整合到同一个反应环境中。

为了进一步优化设计出来的回路,研究团队还对其中一些关键步骤所用到的酶进行了基因编辑,以使其能够更有效地推动反应的进行。他们还在核心反应周围设计了一些其他反应用于处理反应各步中可能产生的副产品,以进一步提高其效率。最终,他们得到了一条与自然界漫长进化所得的六条固碳回路都不同,且效率比它们都要高的第七条固碳回路,能够不断消耗二氧化碳并将其转化为苹果酸。值得一提的是,完成的设计里共有十三步核心反应,总共涉及到十七个酶,这十七个酶的基因来自各种生物,包括细菌、古细菌、植物以及人类。这充分体现了基因工程技术与合成生物学在跨越物种障碍以及精准改良生物学反应方面的威力。

目前这条固碳回路仍然处于体外实验阶段,而且需要借助 ATP(三磷酸腺苷)等物质来提供必要的能量。研究团队下一步打算将其转入能够进行光合作用的细胞或者组织内,利用光合作用产生的 ATP 等来驱动这一固碳过程。如果生物固碳能够大规模推广,对控制温室气体带来的全球气候变化影响无疑是一个好消息,而固碳产生的苹果酸也可以被用作下游其他产业的原材料,做到物尽其用。

 

新闻链接:http://arstechnica.com/science/2016/11/enzymes-from-nine-organisms-combined-to-create-new-pathway-to-use-co2/

论文链接:http://science.sciencemag.org/content/354/6314/900.full

编译:UnknownC4

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