LanzaTech、西北大学和美国能源部橡树岭国家实验室（以下简称为 ORNL）的科学家联合开发了碳捕获技术，该技术可利用工业废气产生的二氧化碳生产丙酮和异丙醇。此研究于2月21日发表在Nature Biotechnology 上。

 

丙酮和异丙醇几乎随处可见，可用作燃料、织物和化妆品，是全球市场总和超过 100亿美元的化学品。丙酮是一种商用化学品，用作工业溶剂、丙烯酸玻璃或双酚 A 的前体，异丙醇则被广泛用于药品、化妆品和个人护理产品当中。当前，这两种化学品均是通过石油化工制造而成，每千克产品的碳排放量分别为 2.55 kg CO2e kg–1 和 1.85 kg CO2e kg–1。

 

这两种化学品被广泛使用，是数千种产品的基础，但它们是由化石燃料产生的，会排放导致气候变暖的 CO2。

废气中生产丙酮和异丙醇

 

在本次的研究当中，研究人员利用多种合成生物技术主攻产乙醇梭菌，将其改造成为了生产非天然丙酮和异丙醇的细胞工厂。

 

要利用产乙醇梭菌生产丙酮和异丙醇，首先需要对其合成途径进行工程化设计和改造，这通常是非常耗时的一步，而对梭菌的改造更加具有挑战性，因为它生长缓慢，难以转化，所能使用的合成生物工具比大肠杆菌和酵母菌少得多。

 

西北大学的研究人员基于 LanzaTech 技术开发了一种高效的新工艺，该工艺使用一种名为Clostridium autoethanogenum（产乙醇梭菌）的工程细菌将废气（例如重工业排放物或生物质产生的合成气）转化为丙酮和异丙醇。

 

“这种创新由菌株工程和优化途径酶的无细胞策略引领，将生产时间缩短了一年半。”西北大学麦考密克工程学院化学和生物工程教授  Michael Jewett表示。

 

科学家们采用了三管齐下的方法，包括途径筛选、菌株优化和工艺开发方面的创新。作为第一步，LanzaTech 筛选了近 300 株菌株，以获取可用于丙酮和异丙醇生产途径的酶。在确定了有用的菌株后，科学家们建立了一个组合 DNA 文库——这是此类微生物有史以来最大的一个——以寻找优化丙酮生产的酶变体。

 

图丨从概念验证到工业水平推进从废气中生产丙酮和异丙醇的应用工具和策略概述

 

然后利用尖端的合成生物学工具，包括西北大学的无细胞系统的原型设计、LanzaTech 的高级建模和 ORNL 的分子分析进一步优化。最后，扩大优化菌株的规模，实现了高达 3/g/L/h 的工业生产率，C1 气体可长时间（约 3 周）连续生产而不会降低性能。目前该工艺已扩大到工业中试规模，还有望简化生产其他有价值化学品的流程。

 

在此项研究中，ORNL 的科学家发现该微生物可产生大量的化合物3-HB，这种化合物位于关键代谢途径的中间，会将碳源引向其他方向，而这需要下游处理并增加工艺成本。ORNL 通过蛋白质和代谢物谱显示了细胞内部产生瓶颈的位置，可得出下一步需要修改哪些途径，以使更多的碳流向产品。

 

此次合作是 ORNL和LanzaTech 之间长期合作关系中的最新一次，2015 年，由ORNL和LanzaTech科学家组成的团队对整个Clostridium autoethanogenum 菌种进行了基因组测序，为当前研究奠定了基础。

 

LanzaTech 目前正在扩展这项技术，该技术可以嵌入到现有系统中，并在全球范围内部署使用。其合成生物学副总裁 Michael Köpke 表示，“ORNL 在 DNA 测序、系统生物学以及各种代谢组学和蛋白质组学方面具有非常独特的能力，ORNL 的专业知识帮助我们排除流程中的故障，找出哪些步骤可能受到限制。”

 

这种生物工艺为这些基本化学品的生产路线提供了一种可持续的替代方案。在进行生命周期分析后，该团队发现，如果广泛采用，与传统工艺相比，负碳平台可以减少160%的温室气体排放。

 

 

院士评论

同期，在 Nature Biotechnology 上，国际合成生物学产业化先驱、美国工程院院士、加州大学伯克利分校教授、中科院深圳先进院合成生物化学研究中心主任杰・基斯林（Jay D. Keasling）及其伯克利的同事发表了评论文章，对该项产业化进展进行了点评。

 

Keasling 院士表示：“合成生物学有望引领通往可持续制造业的道路。”

 

在碳源危机和气候危机日趋严峻的今日，合成生物技术被视为解决危机的一大希望，而碳回收，也被称作是合成生物学的最高成就。不过，放眼全球范围内的生物产业，碳捕捉及负碳生产的相关产业仍然很少，少数有所布局的公司如 Provectus Algae、Newlight、Ingenza 以及光玥生物等，产品与管线也仍在积极推进当中。因此，LanzaTech 此次所实现的碳捕捉负碳生产，无疑是鼓舞人心的，是负碳生产在产业化中迈出的坚实一步。

在工业中，微生物系统已经被用于生产各类物质，而在这些物质当中，大部分都是高附价值产品，如香精香料、化妆品组分以及药品一类。至于那些需要大规模生产、简单、廉价的大宗产品，仅仅只有很少一部分是由微生物所生产得到，如 1,3 - 丙二醇、1,4 - 丁二醇、乳酸以及琥珀酸等等。

 

微生物替代生产，是迈向可持续的绿色生产的第一步，进一步的，是要通往碳中和，甚至负碳的可持续生产。

 

在本次的研究当中，研究人员利用多种合成生物技术主攻产乙醇梭菌，将其改造成为了生产非天然丙酮和异丙醇的细胞工厂。

 

Jay D. Keasling院士分析了在过程中碳源及产品的灵活性，除了单碳原料的灵活性外，最终的产品也具有灵活性。即使用相同的气态原料，工厂理论上可以通过更换菌株在生产乙醇、丙酮和异丙醇之间来回转换。

 

如果所有非燃料石化的产品都是通过合成生物学生产的，那么减排量将会是多少呢？Jay D. Keasling院士提出，通过合成生物学所创建的循环甚至是负碳的工业生产部门，或许其本身并不能解决气候危机，但是其可以帮助解决全球经济中一些最难脱碳的部分。