将来，发酵罐里可能不再需要糖了。

在大大量东谈主印象中，发酵工业频频即是在大罐子里泡着糖水养酵母或细菌。当今，英国伦敦玛丽女王大学、剑桥大学与以色列魏茨曼科学掂量所团队的一项掂量施展，工程大肠杆菌简略在不添加任何糖类或有机碳源的条目下，仅依靠太阳能驱动产生的甲酸盐和二氧化碳（CO₂）完成孕育。

掂量东谈主员搭建了一套将有机光伏、酶催化与工程大肠杆菌整合在归拢反映器、以甲酸盐为能量中介的太阳能驱动 CO₂ 改动生物资平台，通过有计划“半东谈主造叶片”和经过永久进化的工程大肠杆菌，用阳光和水将二氧化碳径直改动为活体细菌生物资。

在不引入植物、藻类或光合细菌的前提下，该系统兑现了雷同当然光互助用的碳固定过程，且不需要非凡添加任何糖类或其他有机碳源。

具体来说，这种安装在有机光伏驱动下，通过甲酸脱氢酶（FDH）催化将二氧化碳归附为甲酸盐，光阳极同步氧化水开释氧气，工程化大肠杆菌在归拢液体中“吃掉”甲酸盐当作能源，驱动细菌将外源二氧化碳固定兑现孕育。

从本体上来看，通盘过程是模拟当然界的光互助用，而不同之处在于，其将植物体内的复杂生化反映拆解到体外，并用工程技能进行重新组合。值得关心的是，经过 168 天筛选和 27 轮抓续进化，菌株达到稳如期 OD₆₀₀≈0.2 所需的时候从 13 天评述到仅需 2 天。

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

该论文第一作家、伦敦玛丽女王大学讲师苏林博士对 DeepTech 暗示：“这项掂量初度在归拢容器内，买通了从光能到细菌生物资生成的圆善链条。这就像在实验室里建了东谈主工叶绿体，不仅治理了当然光互助用的低后果瓶颈，还为合成生物学定向坐褥化学品提供了一种可编程平台。”

干系论文以《哄骗光电化学兑现自养型大肠杆菌的太阳能驱动孕育》（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 博士是共同第一作家，Erwin Reisner 讲授担任通信作家。

图丨干系论文（开端：JACS）

植物和浮游植物每年通过叶绿素、阳光和水可固联盟 1，000 亿吨碳。在可再生化学鸿沟，一个永久的难题是，该过程能否在不依赖清除化石燃料的条目下，用东谈主造组件搭建出合成版块。

太阳能哄骗频频分为两类旅途：纯化学旅途（哄骗太阳能驱动电催化或光催化合成燃料分子）和纯生物旅途（哄骗蓝藻等光合生物固定二氧化碳）。两者各有黑白：化学旅途具备较高的太阳能改动后果，但贵金属催化剂资本高，且难以一步合成多碳或结构复杂的居品；生物旅途擅长合成复杂代谢居品，但太阳能改动后果较低，居品谱也受限于自己的代谢能力。

半东谈主工光互助用（semi-artificial photosynthesis）恰是把二者有计划起来的战略：化学旅途持重把太阳能高效改动为甲酸（盐）、乙酸（盐）等简易中间体，再把这些中间体当作底物提供给生物系统，合成更复杂的方针居品。

关联词，其落大地临一个中枢挑战：化学催化过程与生物合成过程频频不可在归拢个反映器中同期运转。化学侧所需的高电位、强电解液或金属离子环境，常会损害细菌或扼制其代谢。

那么，化学催化与生物代谢究竟能不可在归拢种液体里同期职责？掂量团队但愿，通过这项掂量找到这个问题的谜底。

兑现这个方针看似简易，但推行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非凡的有机物才能看护细菌孕育，无法作念到以 CO₂ 当作独一碳源；还有的系统能量和谐后果过低，无法相沿运动培养的任务。

图丨当然光互助用与工程化光互助用（开端：JACS）

总体来说，必须同期治理的三个问题是：速率匹配、化学环境对生物无毒以及统统催化反映必须在归拢种液体中发生。

掂量东谈主员设计了一个新的有设计：用电化学安装充任“东谈主工叶绿体”，让电极的一面氧化水、提供电子，2026世界杯滚球体育中国官网另一面则用这些电子把二氧化碳归附成一种小分子有机物（甲酸盐）。工程化大肠杆菌在归拢液相环境中吸收甲酸盐，在细胞内将其氧化回二氧化碳以开释归附力（电子），再通过卡尔文轮回驱动外源二氧化碳固定成生物资。

苏林解释说谈：“水氧化产生的氧气之是以简略在归拢反映器里被细菌浪掷掉，原因在于工程大肠杆菌需要氧气当作呼吸链终局的电子受体。”

这一历程对应的是自然光互助用：植物的光反映制造三磷酸腺苷（ATP）和归附型辅酶Ⅱ（NADPH）并开释氧气；暗反映哄骗这部分能量，通过卡尔文轮回把二氧化碳固定成糖。在掂量团队拓荒的安装中，光反映在半导体与酶的共同作用下完成，暗反映则由大肠杆菌完成。

为什么选甲酸盐当作化学侧与生物侧的“死力棒”？这一遴荐背后有具体的考量。

与氢气（储运贫乏、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改动、后果较低）比拟，甲酸盐具有几个私有上风：它是常温下的液体，易于在水相中储存和运载；CO₂ 归附成甲酸盐只需两个电子，是热力学上最容易兑现的 CO₂ 归附居品之一；同期，甲酸盐在细胞内既可被氧化开释归附力（电子）供能，氧化居品又是 CO₂，可重新参加细菌的碳固定轮回，兑现碳的里面闭环。基于这些上风，以甲酸盐为关键构建可再生化学品坐褥体系的理念，在文件中被称为“甲酸盐生物经济”（formate bioeconomy）。

在这项掂量中，掂量团队进行了递进式考据。他们濒临的第一个挑战是：细菌“吃”甲酸盐的速率太慢了。掂量东谈主员采用大肠杆菌当作底盘生物，尽管这是一种实验室中常用的阵势生物基因操作器用锻真金不怕火，况且工业化坐褥训诲丰富，但野生型的大肠杆菌并不擅长哄骗甲酸盐。

此前，魏茨曼科学掂量所 Ron Milo 教讲课题组基于代谢工程转变，构建出可哄骗甲酸盐和二氧化碳孕育的自养型大肠杆菌，干系论文分散发表于 Cell（2019）与 eLife（2024）。但转变菌的孕育是一个漫长的过程，华游体育中国官网入口需要履历两周才能孕育到可见的浓度。

为了让转变菌兑现高效活命，掂量东谈主员在 Milo 课题组前期菌株的基础上进行了合适性实验室进化（ALE）实验。他们将培养物反复稀释到崭新培养基中，让当然遴荐来完成职责。

经过共 168 天、 27 次运动传代，分离到一株进化后的菌株在 2 天内达到了与此前 13 天相同的密度（OD₆₀₀ ≈ 0.2），进而在细菌方面治理了速率匹配的问题。

图丨甲酸盐上加快的自养孕育（开端：JACS）

基因组测序数据败露，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卵白。

当掂量东谈主员通过 P1 噬菌体介导的转导将该突变东谈主为诞生且归后，阻抑败露，呈文株的孕育速率显贵低于进化株。

苏林指出，这阐述该突变对甲酸盐哄骗后果的普及有实质性孝敬。“据咱们揣摸，pitA 失活可能有助于看护细胞内的质子能源均衡，在甲酸盐代谢导致培养液碱化的条目下为细菌争取到了更好的活命上风。”

治理了快速“吃”甲酸盐菌株的挑战，但新的难题随之而来：转变后的菌株能否径直哄骗电化学反映生成的甲酸盐？

掂量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：一种是来自硫酸盐归附菌的甲酸脱氢酶（FDH），这种酶能将二氧化碳归附成甲酸盐，况且耐氧性好，无需尖酸的厌氧条目；另一种则来自碳酸酐酶（CA），它的作用是通过加快二氧化碳的水合反映，谢却电极名义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% 的法拉第后果抓续职责。也即是说，参加电极的每个电子基本上齐以甲酸盐的样子输出，且确实不产生副反映。

在 5mL 缓冲液里积攒了约 25mmol/L 的甲酸盐，为兑现细菌培养提供支抓。当掂量东谈主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，阻抑败露，细胞简略在 6 天内自若孕育，并浪掷了确实生成的一齐甲酸盐。

图丨掂量东谈主员将有机光伏、酶催化与工程大肠杆菌整合在归拢反映器中（开端：受访者）

但问题还莫得赶走。到这一步，电能仍由外接电源提供。要信得过复现当然光互助用的逻辑，必须把这部分电力替换为阳光。为此，掂量团队采用全有机的半导体材料构建光伏器件，以谢却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简略提供约 1 伏的开路电压，足以驱动甲酸脱氢酶职责。掂量东谈主员将酶修饰电极与有机光伏器件相有计划，酿成了一个生物光阴极。

在模拟太阳光映照下，该光阴极在相干于可逆氢电极 0.6 伏的职责电位下，产生了约 3 毫安每平方厘米的光电流，运动运转 10 小时产生了 338 微摩尔每平方厘米的甲酸盐，法拉第后果仍可保抓在约 97%。

通过这批太阳能制造的甲酸盐培养进化后的大肠杆菌，细菌兑现了闲居孕育 3 天，最终浓度与此前用电解实验的甲酸盐培养的情况止境。

图丨生物电化学甲酸盐合成与哄骗（开端：JACS）

至此，掂量团队已分散考据光驱动产甲酸盐和细菌吃甲酸盐孕育两个身手。然则，怎样将二者装进归拢个容器中，让它同期进行呢？

掂量东谈主员将集成版的安装称为“半东谈主造叶片”，不需要外加电压，惟有光照就能职责。通盘安装径直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孕育，氧气则被细菌用于呼吸。这套系统在运动 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。

抽象来看，这项掂量呈现出一条从阳光、水和二氧化碳到细菌生物资运动和谐的圆善逻辑链条：用合适性进化让大肠杆菌赢得快速哄骗甲酸盐的能力，然后用酶修饰电极兑现了从二氧化碳到甲酸盐的高效电化学和光化学改动，最终将二者整合在归拢反映器中。

这项掂量展示了一种新的可能性，用工程细菌和光电器件搭“东谈主工叶绿体”，将二氧化碳变成有效的物资。需要看到的是，现阶段，这套系统也濒临一系列问题，举例氧气料理尚未自若、永久运转的轮回性能有待考据，以及进一步在更大范畴的反映器中进行考据。目下安装的运动运转时候在 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自若性还有较大差距。

但这项掂量的更进犯的价值在于兑现了主见考据：仅以阳光、二氧化碳和水为底物，而不依赖食粮（比如玉米作念的葡萄糖）和复杂的有机养分，就能培养出微生物生物资。

目下，苏林正在伦敦玛丽女王大学新配置的寂然课题组中络续这一目的的探索。该课题组延续了他在剑桥进行博后掂量时间的生物杂化系统（biohybrid）念念路，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 归附拓展到氮气（N₂）固定、塑料降解等更具挑战性的反映。“迎接对生物–材料界面感意思意思的掂量东谈主员加入咱们课题组或开展互助。”苏林说。

将来，若是该平台简略与径直空气捕集技艺耦合并兑现范畴化放大，有可能兑当今太阳能驱动下，径直“种”出微生物卵白、化工原料以致燃料。

参考贵寓：

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

运营/排版：何晨龙

注：封面/首图由 AI 补助生成华游体育