隨著全球碳排放問題日益嚴峻，科學家們正努力將二氧化碳從“環境負擔”轉化為“資源寶藏”。傳統碳捕集技術多依賴高能耗的物理化學方法，而生物轉化技術——尤其是利用微生物直接固定 CO?——因其綠色可持續性備受關注。然而，單一微生物系統存在天然短板：微藻雖能高效光合固碳，卻難以合成復雜化合物；大腸桿菌等異養菌雖擅長代謝工程，卻無法直接利用 CO?。

如何破解這一矛盾？伊利諾伊大學香檳分校的Yong-Su Jin 教授團隊在 Metabolic Engineering 期刊發表最新研究：他們通過合成生物學手段，構建了一個“微藻-細菌聯合作業系統”，首次實現了從 CO? 到高價值生物產品的無縫轉化。這項以“Bioconversion of CO? into valuable bioproducts via synthetic modular co-culture of engineered Chlamydomonas reinhardtii and Escherichia coli”為題的研究，不僅為碳中和提供了新思路，更展示了合成生物學在綠色制造中的巨大潛力。

研究團隊的核心策略是“模塊化分工”。他們選擇了一種名為萊茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）的淡水微藻作為“光合工廠”，通過基因編輯敲除其光呼吸途徑中的關鍵酶 GYD1。這一改造讓微藻在光照條件下將二氧化碳轉化為乙醇酸（glycolate）。與此同時，團隊對大腸桿菌進行工程化改造，使其能高效吸收乙醇酸，并通過自身代謝將其轉化為目標產物。這種分工不僅降低了單一菌株的代謝壓力，還實現了 CO? 固定與產物合成的精準銜接。

然而，還需平衡好微藻產碳與細菌耗碳的速度。為此，團隊開發了兩階段連續培養系統。第一階段中，微藻在富含 3% CO? 的環境中快速生長，積累生物量；第二階段則將微藻培養液導入新反應器，切換為常壓空氣環境。這一巧妙設計觸發微藻的光呼吸機制，使其持續分泌乙醇酸，而引入的大腸桿菌則實時消耗這些碳源。通過優化光照強度和通氣速率，團隊成功將大腸桿菌的生物質生產率提升至 2.03 mg/L/h，較傳統批次培養效率翻倍。更令人矚目的是，該系統實現了連續 44 天的穩定運行，為工業化應用奠定了堅實基礎。

圖 | 兩階段微藻-菌共培養系統實現高效穩定生產

這套系統的真正魅力在于其“化學魔術”般的轉化能力。研究團隊展示了兩種代表性產物的合成：綠色熒光蛋白（GFP）和番茄紅素。工程化大腸桿菌在共培養中成功表達 GFP，生產率為 0.52 ng/L/h；而在番茄紅素合成中，通過導入外源基因簇，團隊實現了 6.3 μg/L/h 的生產率，其碳轉化效率 0.094%，遠超傳統微藻單培養體系。尤其值得關注的是，這是首次完全依賴 CO? 和光能、無需添加任何有機碳源的番茄紅素生物合成，徹底跳出了傳統發酵對糖類的依賴。“這不僅是技術驗證，更為未來合成胰島素等高價值蛋白打開了大門，”研究負責人 Yong-Su Jin 教授表示。

圖 | 共培養系統實現 CO? 至番茄紅素轉化，產量與純度驗證成功

從實驗室到工廠，經濟性始終是技術落地的關鍵門檻。通過技術經濟分析，團隊預估番茄紅素的生產成本為 64 美元/克，與當前市場低價持平。與傳統藍藻-細菌共培養系統相比，該系統無需誘導劑或滲透壓調控，操作復雜度大幅降低。更深遠的意義在于，這種模塊化設計可靈活適配不同合成路徑——無論是生物燃料、藥物中間體還是食品添加劑，只需調整細菌模塊的代謝工程方案，就能快速拓展產品線。Jin 教授特別提到，這套系統在太空探索中潛力巨大：“只要有陽光和 CO?，宇航員就能在飛行中自主生產營養物或藥物。”

這項研究的突破不僅在于技術創新，更在于思維范式的轉變。它證明，通過合成生物學精準設計微生物群落的功能分工，CO? 可以成為可持續制造的原料而非廢棄物。正如團隊所言：“我們正在改寫碳循環的規則——CO? 不再是需要封存的麻煩，而是通往綠色經濟的橋梁。”隨著光呼吸調控和代謝通路的進一步優化，這套系統有望成為碳中和目標的核心技術之一，為人類應對氣候變化提供全新的生物制造解決方案。

1.Kang N K, Koh H G, Choi Y, et al. Bioconversion of CO2 into valuable bioproducts via synthetic modular co-culture of engineered Chlamydomonas reinhardtii and Escherichia coli[J]. Metabolic Engineering, 2025.

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