产量提升120倍，科学家用新策略实现二氧化碳高效转化成有机碳

将太阳能驱动的二氧化碳（CO₂）转化为燃料和化学品，为发展循环化学工业提供了机遇，但不可忽视的是，多碳有机物的可控生产仍是当前面临的重大技术挑战。

为解决上述问题，英国剑桥大学团队创新性地提出了一种非生物-生物多米诺级联策略，通过整合光催化 CO₂-合成气转化系统与经过适应性进化的合成气发酵细菌，实现了 CO₂ 向高价值 C₂ 分子产物（如乙酸和乙醇）的高效转化。

在这项研究中，研究团队重点优化了微生物合成气发酵的过程：采用适应性实验室进化（ALE，adaptive laboratory evolution）技术对杨氏梭菌（ClClostridium ljungdahlii）进行定向改造。经过 20 代适应性进化后，获得进化的菌株（Cladapt）相较于野生型菌株（Clwt），生长速率提升了 2.5 倍，在连续流动模式下实现了 C₂ 产物产量 120 倍的突破性增长。

该研究不仅为优化梭菌合成气发酵提供了高效平台，揭示了微生物适应性进化的潜力，更重要的是为太阳能驱动的 CO₂ 资源化提供了一条无机催化与生物转化协同的创新路径。

日前，相关论文以《光驱动级联转化 CO₂ 的气体发酵细菌适应性改造》（Adapting Gas Fermenting Bacteria for Light-driven Domino Valorization of CO₂）为题发表在Chemical Science[1]。

剑桥大学苏林博士（目前担任英国伦敦玛丽女王大学讲师）和博士后圣地亚哥・罗德里格斯-希门尼斯（Santiago Rodríguez-Jiménez）是共同第一作者，剑桥大学欧文·莱斯纳（Erwin Reisner）教授担任通讯作者。

在 CO₂ 转化领域，化学催化与生物转化方法“各有千秋”：前者擅长生产 C1-C2 简单化合物，而后者则更适于合成 C2-C5 等复杂有机物。本研究通过整合这两种方法的优势，提出“光催化-微生物”级联策略来探索生物催化延长碳链的新路径，以期实现更高效、低成本的 CO₂ 资源化利用。

该研究是一项跨化学、生物等学科的工作，研究团队创新性地将不同学科技术，如多米诺反应等进行系统整合。其核心创新在于成功实现了这些技术的协同组装与应用。虽然单独来看，包括菌株本身、光响应半导体、分子催化剂和 CO₂ 转化器在内的组件都已有前人研究，但通过工程化的整合策略，研究团队建立了一套独特的系统解决方案。

该研究最具突破性的进展在于，首次将光催化 CO₂ 还原与适应性进化后的气体发酵细菌相结合，建立了从 CO₂ 到多碳化学品的直接转化路径。具体而言，光催化系统利用太阳能将 CO₂ 转化为合成气（CO/H₂/CO₂ 混合物），随后通过管路连接的气体发酵细菌将合成气进一步转化为高附加值有机物。

然而，这一概念的实践面临严峻挑战：团队选用的Clostridium ljungdahlii产酸菌虽在文献中被报道具有高效合成气转化能力，但实际操作中发现野生型菌株性能远未达标。需要指出的是，这类严格厌氧菌不仅生长缓慢，其分子生物学研究工具也相对匮乏，全球仅有少数团队具备相关研究基础。

尽管苏林是一名具有微生物背景的研究者，但这也是他首次接触这类菌株，并经历了艰难的学习和探索。经过半年多的探索和两批野生菌株的失败尝试后，最终通过 ALE 方法成功驯化出能够在特定条件下生长和筛选的菌株（Cladapt）。

苏林对 DeepTech 表示：“这种方法避免了复杂的分子生物学操作，经过驯化的菌株表现出惊人的性能提升，甚至达到了 120 倍的效率增长，这让我们备受鼓舞。”

为了深入探究Cladapt在合成气发酵过程中的代谢机制，研究团队进行了同位素标记实验。结果表明，Cladapt能够高效地将合成气中的碳转化为乙酸和乙醇，其产物中的 13C/12C 比例分别达到 86:14 和 95:5。这说明Cladapt在合成气的摄取和转化方面具有更高的效率。此外，全基因组测序分析揭示了Cladapt中存在 8 个关键突变位点，这些突变可能与其增强的代谢能力有关。

在实现了气体发酵细菌的优化之后，研究团队进一步探索了将光催化技术与气体发酵相结合的可能性。他们采用了一种基于二氧化钛（TiO₂）和磷酰化钴杂化光催化剂的完整级联系统，成功地将二氧化碳转化为合成气，为细菌发酵提供了必要的原料。

具体来说，首先利用半导体光催化材料将 CO₂ 转化为合成气（CO/H₂/CO₂ 混合物），随后通过管路连接化学与生物反应器构建级联系统。虽然这一简化设计在研究初期因气压和冷凝水等问题效果欠佳，但通过后续优化成功实现了系统稳定运行。

在模拟太阳光照射下，该系统能够产生足够的合成气，供Cladapt进行光催化二氧化碳合成气 C₂ 转化反应。实验结果显示，在 6 天的连续实验中，光催化剂转化二氧化碳产生了 1.3mmol 的一氧化碳，Cladapt利用这些合成气进行自我生长（OD600 提高），并产生了 0.46±0.07mM 的乙酸。而未经过 ALE 驯化的野生菌Clwt则几乎没有 C₂ 产物的合成。

苏林指出，尽管这一数值仍低于直接使用工业合成气的效果，但证明了“光催化-微生物”级联反应的可行性。

需要了解的是，该技术若在实际场景应用，仍面临两个关键挑战：首先是反应器系统的工程化放大，这直接关系到技术转化和成本控制，需要专业的化工设计来解决实验室简易装置与工业应用间的差距；其次是产物附加值问题，当前主要产物乙酸和乙醇的工业价值有限，未来需要通过代谢工程改造或新通路引入来提升产物附加值。

苏林在东南大学获得博士学位，期间先后在美国劳伦斯伯克利国家实验室和美国莱斯大学访问研究，之后加入剑桥大学欧文教授团队开展生物-混合系统设计的博士后研究。

自 2025 年 2 月起，他在伦敦玛丽女王大学生物与行为科学学院担任讲师，主要研究方向包括电活性微生物机理及合成生物学改造、微生物-电极界面交互及生物电传感、气体发酵和人工光合作用等。

目前，苏林正计划带领团队沿着界面传递和微生物内部代谢的方向继续开展研究，尝试利用气体发酵菌Clostridium来取得进一步的进展。同时，他还积极与国内相关团队展开合作，以探索更多的可能性，目前该实验室正在招收博士生 [2]。

参考资料：

1.Lin,S. et al. Adapting Gas Fermenting Bacteria for Light-driven Domino Valorization of CO₂ .Chemical Science(2025). https://doi.org/10.1039/D5SC00764J

2.https://biohybrids.group

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