今年的 2 月份，合成生物碳捕捉公司 LanzaTech 与美国西北大学的研究人员在 Nature Biotechnology 上发表了论文，展示了利用合成生物技术吸收二氧化碳生产的新进展：实现了中试阶段的负碳生产丙酮和异丙醇。

 

而就刚刚不久，国内的研究人员也在类似的碳捕捉原料生产上取得了实验室阶段的新进展。

 

2022 年 4 月 14 日，上海交通大学生命科学技术学院的研究人员在 Green Chemistry 期刊上发表了研究论文，介绍了利用蓝藻细胞工厂以 CO₂ 为原料，从头合成生产可降解塑料聚乳酸（PLA）。

 

蓝藻细胞工厂用于碳捕获生产高性能生物降解塑料

 

在该项研究中，研究人员往蓝藻中引入了 PLA 的异源生产途径，包括了工程化的 D - 乳酸脱氢酶、丙酸辅酶 A 转移酶以及聚羟基链烷酸合酶，同时结合了代谢工程和高密度培养（HDC）的组合策略，最终实现了 108.0 mg/L 的 PLA 浓度水平。

 

这项研究揭示了光驱动（Light-Driven）合成生物学在可降解塑料合成领域的潜在应用前景。

 

光驱动合成生物学，顾名思义，是以光合自养微生物为底盘，利用合成生物技术进行代谢重塑，构建 “负碳细胞工厂”，在光能驱动下将二氧化碳直接转化为目标产物。目前，常用的光驱合成生物底盘细胞，正是被称为 “绿色的大肠杆菌” 的蓝细菌。

 

培养中的蓝细菌

 

当前，在国内外，光驱动作为合成生物学一个全新的、极具潜力的产业化方向，已经受到了广泛的关注和布局，同时也出现了一些以此为技术核心进行布局和研发的企业，比如 NatureWorks、Photanol、LumyBio 和 Provectus Algae 等。

 

首先，如果聚焦于此次研究论文的目标产物 PLA 的话，仅在该方向上，布局光驱动细胞工厂生产研究的企业国内外便有着多家。

 

其中典型代表有如全球最大的可降解塑料 PLA 制造商 NatureWorks，在去年的年底，其正式宣布：正在开发新技术，跳过植物源的原料，利用微生物将温室气体直接转化为乳酸用于 PLA 生产。

 

在国内，也有专注于光驱动合成生物技术的企业在聚乳酸（PLA）的光合生产上进行了布局。

 

根据光玥生物（LumyBio）发明专利《利用光合微生物将 CO₂ 转化为聚乳酸及其共聚物的技术》显示，其开发了能够直接利用 CO₂ 合成了更多种类的可降解塑料的技术，包括聚乳酸和乳酸 - PHA 共聚物。

 

该发明专利构建出 6 种蓝细菌来进行可降解塑料的直接合成，其中 2 种工程化微生物可以合成聚乳酸（PLA），2 种工程化微生物合成聚 3 - 羟基丁酸乳酸酯（P (3HB-co-LA)），2 种工程化微生物合成聚 3 - 羟基丁酸乳酸酯（P (3HB-co-LA)），另外 2 种可以合成聚 3 - 羟基丙酸乳酸酯（P (3HP-co-LA)）。

 

利用光合微生物将 CO₂ 转化为聚乳酸及其共聚物的技术

 

与前述文章的策略不同，根据光玥生物的专利，其光合底盘为自主筛选 / 改造的聚球藻 Lumy-7，代时 1.5 小时，已经超过酵母利用葡萄糖的生长速度，为目前生长最快的 CO₂ 利用光合微生物。

 

另一方面，通过 AI 辅助的智能代谢技术来重定向固定的碳流，从而获得了更高的聚合物产量。其中，PLA 的重均分子量达到 50 kDa 以上，产量最高可达到 264 mg/L（36.7 mg/g DCW），大约是上述文章中 PLA 浓度（108.0 mg/L）的 2.5 倍，另外乳酸和 PHA 的共聚物 P (3HB-co-LA) 和 P (3HP-co-LA) 的产量也均达到 130 mg/L 以上。

 

另一边，在国外，美国专注于改造蓝细菌进行光合生产的清洁技术公司 Photanol 公司也在 PLA 方向上有着专利的布局。

 

Photanol 的光驱动合成管线

 

根据公开的专利显示，在 2013 年，Photanol 便开始了光合生产 PLA 单体乳酸的管线布局（美国专利 US20130071895A1），最初的专利在蓝细菌等光合微生物中表达乳酸脱氢酶，直接利用 CO₂ 合成了近 500 mg/L 的乳酸，随着时间的推进，目前光合微生物乳酸生产的最高产量已经达到 2.66 g/L。

 

当然，从目前技术可行性来讲，不论是 Green Chemistry 上的文章还是各公司的专利，对于聚乳酸等可降解塑料这样的大宗化合物来说，要进行经济可行产业化，可能还需要将产量至少提高一个数量级（达到 g/L 以上）。

 

类似的大宗化学品还有如 Photanol 布局的乙醇酸（美国专利 US20220098627A1）和 1,3 - 丙二醇（美国专利 US11008593B2）。2021 年，Photanol 建立的大宗化学品试产管线工厂已经达到 10 吨 / 年，并计划在明年扩大到 30000 吨 / 年，在 2024 年将产品推向市场。

 

Photanol 的工厂

 

当前，光驱动合成生物技术还难以在聚合物和生物燃料等大宗化学品的管线上与传统异养微生物竞争，而在不少研究工作表明：高值化合物的光合生产已经凸显了一定优势。

 

这一方面，Photanol 公司也有所布局，在于相对高值的天然代糖赤藓糖醇的光合产生（US20170114349A1）；此外，另一家美国公司 Lumen Bioscience，其核心管线是在非肠外治疗递送平台（US20210338751A1）和口服疫苗递送平台（US20210213124A1），通过改造蓝细菌来生产口服抗体药和其他生物药。

 

同样的，在国内，也有公司在光驱动合成高值化合物上进行布局，中科蓝智生物利用光合生产甘油葡糖苷，已经进行产品化；光玥生物构建了全球最大的天然产物光合细胞库，也将着重发力于高值化合物，并已与世界 500 强企业建立合作。

 

产品管线布局只是光驱动合成生物学技术产业化落地生存中的一环，而建立完善自身独有的技术平台，才是这些新兴公司确定行业领先地位的关键。

 

比如 Lumen Bioscience 和谷歌达成合作，建立了蛋白质光合生产提升的机器学习平台以及高度稳定基因修饰引入平台；而光玥生物则建立了独有的基于 Cell-free 的 DTL-B 光合菌株自动化开发体系，基于 AI 分子结构工具的路径超速优化系统 DeepMARS，以及光合电子链 / 碳固定代谢柔性改造体系。

 

Lumen Bioscience 的技术平台

 

随着可持续发展战略的加速推进及二氧化碳减排的迫切需求，绿色生物制造产业正在全面拓展与提升，基于合成生物学的绿色、经济、可持续的生物制造产业正在成为极具前景的战略性新兴产业。

 

以光合微生物为底盘的光驱动合成生物技术作为新一代合成生物平台，或将引领全新的经济形态和产业模式，为传统产业突破资源、成本、环境的瓶颈提供焕然一新的道路。

 

许多国际巨头也瞄准了这一方面，除了全球最大的可降解塑料 PLA 制造商 NatureWorks，世界最大的非政府石油天然气生产商埃克森美孚开始研发重组光合微生物来工业化生产生物燃料，三菱集团布局化学制造和矿业的生物脱碳。

 

 

基于光驱动合成生物学的蓝细菌细胞工厂

 

在未来，随着对光合体系光合固碳、中心代谢和生理功能等代谢机制认识的不断加深，以及蓝细菌合成生物技术平台和调控工具的完善，将进一步激发各种高效光驱固碳细胞工厂的开发，解决目前合成生物学所面临的葡萄糖等碳源依赖和 CO₂ 净排放的问题，为优化产业结构，能源结构以及 “30・60” 目标的实现提供强大的助力。

 

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