人工光合作用新突破：科学家用阳光和空气“种”出活细菌

未来，发酵罐里可能不再需要糖了。

在大多数人印象中，发酵工业往往就是在大罐子里泡着糖水养酵母或细菌。现在，英国伦敦玛丽女王大学、剑桥大学与以色列魏茨曼科学研究所团队的一项研究证明，工程大肠杆菌能够在不添加任何糖类或有机碳源的条件下，仅依靠太阳能驱动产生的甲酸盐和二氧化碳（CO₂）完成生长。

研究人员搭建了一套将有机光伏、酶催化与工程大肠杆菌整合在同一反应器、以甲酸盐为能量中介的太阳能驱动 CO₂ 转化生物质平台，通过结合“半人造叶片”和经过长期进化的工程大肠杆菌，用阳光和水将二氧化碳直接转化为活体细菌生物质。

在不引入植物、藻类或光合细菌的前提下，该系统实现了类似自然光合作用的碳固定过程，且不需要额外添加任何糖类或其他有机碳源。

具体来说，这种装置在有机光伏驱动下，通过甲酸脱氢酶（FDH）催化将二氧化碳还原为甲酸盐，光阳极同步氧化水释放氧气，工程化大肠杆菌在同一液体中“吃掉”甲酸盐作为能源，驱动细菌将外源二氧化碳固定实现生长。

从本质上来看，整个过程是模拟自然界的光合作用，而不同之处在于，其将植物体内的复杂生化反应拆解到体外，并用工程手段进行重新组合。值得关注的是，经过 168 天筛选和 27 轮持续进化，菌株达到稳定期 OD₆₀₀≈0.2 所需的时间从 13 天缩短到仅需 2 天。

图丨苏林（左一）与 Erwin Reisner 教授在实验室（来源：受访者）

该论文第一作者、伦敦玛丽女王大学讲师苏林博士对 DeepTech 表示：“这项研究首次在同一容器内，打通了从光能到细菌生物质生成的完整链条。这就像在实验室里建了人工叶绿体，不仅解决了自然光合作用的低效率瓶颈，还为合成生物学定向生产化学品提供了一种可编程平台。”

相关论文以《利用光电化学实现自养型大肠杆菌的太阳能驱动生长》（Towards solar-powered growth of autotrophic Escherichia coli using photoelectrochemistry）为题发表在 JACS 上 [1]。苏林博士和剑桥大学 Celine Wing See Yeung 博士是共同第一作者，Erwin Reisner 教授担任通讯作者。

图丨相关论文（来源：JACS）

植物和浮游植物每年通过叶绿素、阳光和水可固定约 1,000 亿吨碳。在可再生化学领域，一个长期的难题是，该过程能否在不依赖燃烧化石燃料的条件下，用人造组件搭建出合成版本。

太阳能利用通常分为两类路径：纯化学路径（利用太阳能驱动电催化或光催化合成燃料分子）和纯生物路径（利用蓝藻等光合生物固定二氧化碳）。两者各有长短：化学路径具备较高的太阳能转化效率，但贵金属催化剂成本高，且难以一步合成多碳或结构复杂的产物；生物路径擅长合成复杂代谢产物，但太阳能转化效率较低，产物谱也受限于本身的代谢能力。

半人工光合作用（semi-artificial photosynthesis）正是把二者结合起来的策略：化学路径负责把太阳能高效转化为甲酸（盐）、乙酸（盐）等简单中间体，再把这些中间体作为底物提供给生物系统，合成更复杂的目标产物。

然而，其落地面临一个核心挑战：化学催化过程与生物合成过程往往不能在同一个反应器中同时运转。化学侧所需的高电位、强电解液或金属离子环境，常会损伤细菌或抑制其代谢。

那么，化学催化与生物代谢究竟能不能在同一种液体里同时工作？研究团队希望，通过这项研究找到这个问题的答案。

实现这个目标看似简单，但实际操作起来却充满挑战：有的系统用了含有毒性金属离子的电极，细菌容易被毒死；而有的系统则需要添加额外的有机物才能维持细菌生长，无法做到以 CO₂ 作为唯一碳源；还有的系统能量转换效率过低，无法支撑连续培养的任务。

图丨自然光合作用与工程化光合作用（来源：JACS）

总体来说，必须同时解决的三个问题是：速率匹配、化学环境对生物无毒以及所有催化反应必须在同一种液体中发生。

研究人员设想了一个新的方案：用电化学装置充当“人工叶绿体”，让电极的一面氧化水、提供电子，另一面则用这些电子把二氧化碳还原成一种小分子有机物（甲酸盐）。工程化大肠杆菌在同一液相环境中摄取甲酸盐，在细胞内将其氧化回二氧化碳以释放还原力（电子），再通过卡尔文循环驱动外源二氧化碳固定成生物质。

苏林解释说道：“水氧化产生的氧气之所以能够在同一反应器里被细菌消耗掉，原因在于工程大肠杆菌需要氧气作为呼吸链末端的电子受体。”

这一流程对应的是天然光合作用：植物的光反应制造三磷酸腺苷（ATP）和还原型辅酶Ⅱ（NADPH）并释放氧气；暗反应利用这部分能量，通过卡尔文循环把二氧化碳固定成糖。在研究团队开发的装置中，光反应在半导体与酶的共同作用下完成，暗反应则由大肠杆菌完成。

为什么选甲酸盐作为化学侧与生物侧的“接力棒”？这一选择背后有具体的考量。

与氢气（储运困难、易燃易爆）、一氧化碳（毒性高、水溶性差）或乙酸盐（电化学合成需要多电子转移、效率较低）相比，甲酸盐具有几个独特优势：它是常温下的液体，易于在水相中储存和运输；CO₂ 还原成甲酸盐只需两个电子，是热力学上最容易实现的 CO₂ 还原产物之一；同时，甲酸盐在细胞内既可被氧化释放还原力（电子）供能，氧化产物又是 CO₂，可重新进入细菌的碳固定循环，实现碳的内部闭环。基于这些优势，以甲酸盐为枢纽构建可再生化学品生产体系的理念，在文献中被称为“甲酸盐生物经济”（formate bioeconomy）。

在这项研究中，研究团队进行了递进式验证。他们面临的第一个挑战是：细菌“吃”甲酸盐的速度太慢了。研究人员选用大肠杆菌作为底盘生物，尽管这是一种实验室中常用的模式生物基因操作工具成熟，而且工业化生产经验丰富，但野生型的大肠杆菌并不擅长利用甲酸盐。

此前，魏茨曼科学研究所 Ron Milo 教授课题组基于代谢工程改造，构建出可利用甲酸盐和二氧化碳生长的自养型大肠杆菌，相关论文分别发表于 Cell（2019）与 eLife（2024）。但改造菌的生长是一个漫长的过程，需要经历两周才能生长到可见的浓度。

为了让改造菌实现高效生存，研究人员在 Milo 课题组前期菌株的基础上进行了适应性实验室进化（ALE）实验。他们将培养物反复稀释到新鲜培养基中，让自然选择来完成工作。

经过共 168 天、 27 次连续传代，分离到一株进化后的菌株在 2 天内达到了与此前 13 天同样的密度（OD₆₀₀ ≈ 0.2），进而在细菌方面解决了速率匹配的问题。

图丨甲酸盐上加速的自养生长（来源：JACS）

基因组测序数据显示，进化后的菌株在 pitA 基因上出现了一个单碱基插入突变，该基因编码的是低亲和力的无机磷酸盐转运蛋白。

当研究人员通过 P1 噬菌体介导的转导将该突变人为修复回去后，结果显示，回复株的生长速度显著低于进化株。

苏林指出，这说明该突变对甲酸盐利用效率的提升有实质性贡献。“据我们推测，pitA 失活可能有助于维持细胞内的质子动力平衡，在甲酸盐代谢导致培养液碱化的条件下为细菌争取到了更好的生存优势。”

解决了快速“吃”甲酸盐菌株的挑战，但新的难题随之而来：改造后的菌株能否直接利用电化学反应生成的甲酸盐？

研究团队在钛箔上制备了一种具有层级多孔结构的二氧化钛（TiO₂）电极，并在电极上固定了两种酶：一种是来自硫酸盐还原菌的甲酸脱氢酶（FDH），这种酶能将二氧化碳还原成甲酸盐，而且耐氧性好，无需苛刻的厌氧条件；另一种则来自碳酸酐酶（CA），它的作用是通过加速二氧化碳的水合反应，防止电极表面由于局部碱化而导致甲酸脱氢酶失活。

在小幅外加电位（–0.4V vs. 可逆氢电极）下，这个阴极在 10 小时内以 98±1% 的法拉第效率持续工作。也就是说，进入电极的每个电子基本上都以甲酸盐的形式输出，且几乎不产生副反应。

在 5mL 缓冲液里累积了约 25mmol/L 的甲酸盐，为实现细菌培养提供支持。当研究人员将电解后的液体转入烧瓶、补上微量元素，再接种进化后的大肠杆菌时，结果显示，细胞能够在 6 天内稳定生长，并消耗了几乎生成的全部甲酸盐。

（来源：受访者）

但问题还没有结束。到这一步，电能仍由外接电源提供。要真正复现自然光合作用的逻辑，必须把这部分电力替换为阳光。为此，研究团队选用全有机的半导体材料构建光伏器件，以防止传统光伏器件中可能含有的重金属离子毒性。

这种有机光伏器件在光照下能够提供约 1 伏的开路电压，足以驱动甲酸脱氢酶工作。研究人员将酶修饰电极与有机光伏器件相结合，形成了一个生物光阴极。

在模拟太阳光照射下，该光阴极在相对于可逆氢电极 0.6 伏的工作电位下，产生了约 3 毫安每平方厘米的光电流，连续运行 10 小时产生了 338 微摩尔每平方厘米的甲酸盐，法拉第效率仍可保持在约 97%。

通过这批太阳能制造的甲酸盐培养进化后的大肠杆菌，细菌实现了正常生长 3 天，最终浓度与此前用电解实验的甲酸盐培养的情况相当。

（来源：JACS）

至此，研究团队已分别验证光驱动产甲酸盐和细菌吃甲酸盐生长两个环节。但是，如何将二者装进同一个容器中，让它同时进行呢？

研究人员将集成版的装置称为“半人造叶片”，不需要外加电压，只要光照就能工作。整个装置直接浸泡在含有大肠杆菌的培养液里。光照下，阴极产生甲酸盐，阳极产生氧气。

甲酸盐被细菌吃掉用于生长，氧气则被细菌用于呼吸。这套系统在连续 20 小时的光照下，产生约 79 微摩尔每平方厘米的甲酸盐和 26 微摩尔每平方厘米的氧气。

综合来看，这项研究呈现出一条从阳光、水和二氧化碳到细菌生物质连续转换的完整逻辑链条：用适应性进化让大肠杆菌获得快速利用甲酸盐的能力，然后用酶修饰电极实现了从二氧化碳到甲酸盐的高效电化学和光化学转化，最终将二者整合在同一反应器中。

这项研究展示了一种新的可能性，用工程细菌和光电器件搭“人工叶绿体”，将二氧化碳变成有用的物质。需要看到的是，现阶段，这套系统也面临一系列问题，例如氧气管理尚未稳定、长期运行的循环性能有待验证，以及进一步在更大规模的反应器中进行验证。目前装置的连续运行时间在 10–20 小时量级，距离工业应用所需的数百乃至数千小时长程稳定性还有较大差距。

但这项研究的更重要的价值在于实现了概念验证：仅以阳光、二氧化碳和水为底物，而不依赖粮食（比如玉米做的葡萄糖）和复杂的有机营养，就能培养出微生物生物质。

目前，苏林正在伦敦玛丽女王大学新建立的独立课题组中继续这一方向的探索。该课题组延续了他在剑桥进行博后研究时期的生物杂化系统（biohybrid）思路，聚焦于工程生物与合成材料之间的电子传递界面，并尝试将这一平台从 CO₂ 还原拓展到氮气（N₂）固定、塑料降解等更具挑战性的反应。“欢迎对生物–材料界面感兴趣的研究人员加入我们课题组或开展合作。”苏林说。

未来，如果该平台能够与直接空气捕集技术耦合并实现规模化放大，有可能实现在太阳能驱动下，直接“种”出微生物蛋白、化工原料甚至燃料。

参考资料：

1.https://doi.org/10.1021/jacs.6c03677

运营/排版：何晨龙

注：封面/首图由 AI 辅助生成