伊利诺伊大学开发微藻-细菌共培养系统，实现二氧化碳高效利用

随着全球碳排放问题日益严峻，科学家们正努力将二氧化碳从“环境负担”转化为“资源宝藏”。传统碳捕集技术多依赖高能耗的物理化学方法，而生物转化技术——尤其是利用微生物直接固定 CO₂——因其绿色可持续性备受关注。然而，单一微生物系统存在天然短板：微藻虽能高效光合固碳，却难以合成复杂化合物；大肠杆菌等异养菌虽擅长代谢工程，却无法直接利用 CO₂。

如何破解这一矛盾？伊利诺伊大学香槟分校的Yong-Su Jin 教授团队在 Metabolic Engineering 期刊发表最新研究：他们通过合成生物学手段，构建了一个“微藻-细菌联合作业系统”，首次实现了从 CO₂ 到高价值生物产品的无缝转化。这项以“Bioconversion of CO₂ into valuable bioproducts via synthetic modular co-culture of engineered Chlamydomonas reinhardtii and Escherichia coli”为题的研究，不仅为碳中和提供了新思路，更展示了合成生物学在绿色制造中的巨大潜力。

研究团队的核心策略是“模块化分工”。他们选择了一种名为莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）的淡水微藻作为“光合工厂”，通过基因编辑敲除其光呼吸途径中的关键酶 GYD1。这一改造让微藻在光照条件下将二氧化碳转化为乙醇酸（glycolate）。与此同时，团队对大肠杆菌进行工程化改造，使其能高效吸收乙醇酸，并通过自身代谢将其转化为目标产物。这种分工不仅降低了单一菌株的代谢压力，还实现了 CO₂ 固定与产物合成的精准衔接。

然而，还需平衡好微藻产碳与细菌耗碳的速度。为此，团队开发了两阶段连续培养系统。第一阶段中，微藻在富含 3% CO₂ 的环境中快速生长，积累生物量；第二阶段则将微藻培养液导入新反应器，切换为常压空气环境。这一巧妙设计触发微藻的光呼吸机制，使其持续分泌乙醇酸，而引入的大肠杆菌则实时消耗这些碳源。通过优化光照强度和通气速率，团队成功将大肠杆菌的生物质生产率提升至 2.03 mg/L/h，较传统批次培养效率翻倍。更令人瞩目的是，该系统实现了连续 44 天的稳定运行，为工业化应用奠定了坚实基础。

图 | 两阶段微藻-菌共培养系统实现高效稳定生产

这套系统的真正魅力在于其“化学魔术”般的转化能力。研究团队展示了两种代表性产物的合成：绿色荧光蛋白（GFP）和番茄红素。工程化大肠杆菌在共培养中成功表达 GFP，生产率为 0.52 ng/L/h；而在番茄红素合成中，通过导入外源基因簇，团队实现了 6.3 μg/L/h 的生产率，其碳转化效率 0.094%，远超传统微藻单培养体系。尤其值得关注的是，这是首次完全依赖 CO₂ 和光能、无需添加任何有机碳源的番茄红素生物合成，彻底跳出了传统发酵对糖类的依赖。“这不仅是技术验证，更为未来合成胰岛素等高价值蛋白打开了大门，”研究负责人 Yong-Su Jin 教授表示。

图 | 共培养系统实现 CO₂ 至番茄红素转化，产量与纯度验证成功

从实验室到工厂，经济性始终是技术落地的关键门槛。通过技术经济分析，团队预估番茄红素的生产成本为 64 美元/克，与当前市场低价持平。与传统蓝藻-细菌共培养系统相比，该系统无需诱导剂或渗透压调控，操作复杂度大幅降低。更深远的意义在于，这种模块化设计可灵活适配不同合成路径——无论是生物燃料、药物中间体还是食品添加剂，只需调整细菌模块的代谢工程方案，就能快速拓展产品线。Jin 教授特别提到，这套系统在太空探索中潜力巨大：“只要有阳光和 CO₂，宇航员就能在飞行中自主生产营养物或药物。”

这项研究的突破不仅在于技术创新，更在于思维范式的转变。它证明，通过合成生物学精准设计微生物群落的功能分工，CO₂ 可以成为可持续制造的原料而非废弃物。正如团队所言：“我们正在改写碳循环的规则——CO₂ 不再是需要封存的麻烦，而是通往绿色经济的桥梁。”随着光呼吸调控和代谢通路的进一步优化，这套系统有望成为碳中和目标的核心技术之一，为人类应对气候变化提供全新的生物制造解决方案。

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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