近日，国家重点实验室刘立明教授团队陈修来副教授在大肠杆菌二氧化碳封存方面取得重要进展，研究成果“Light-driven CO2 sequestration inEscherichia colito achieve theoretical yield of chemicals”于4月29日在线发表于《Nature Catalysis》期刊上(https://doi.org/10.1038/s41929-021-00606-0)。

微生物二氧化碳封存工程是实现碳中和、碳负性生产的一种有前景的策略。自养微生物虽然可以利用二氧化碳作为其生长和化学合成的唯一碳源，但其生产强度与工业化水平仍有较大差距。为了更快地实现二氧化碳封存策略在工业生物制造中的应用，可以基于合成生物学技术发展异养微生物二氧化碳封存新策略。

在该研究中，研究人员首先基于化学计量学理性设计二氧化碳封存策略，以提高大肠杆菌利用葡萄糖两阶段生产苹果酸的碳得率。基于方程式的指导，首先设计了一条由甲酸脱氢酶、甲酰基四氢叶酸环水解酶、亚甲基四氢叶酸脱氢酶、亚甲基四氢叶酸还原酶、甲醛裂合酶和二羟基丙酮激酶组成的人工二氧化碳固定途径HWLS。借助体外催化证明HWLS途径的可行性并对限速步骤进行优化后，将该途径引入大肠杆菌并与自组装CdS纳米捕光系统进行整合。结果表明，工程菌株LF-2在蓝光厌氧条件下可以使苹果酸得率达到1.85 mol/mol，两阶段整体得率达到1.36 mol/mol。在此基础上，结合计算机模拟流量平衡分析以及文献挖掘，设计了基于蓝细菌转录因子NdhR的动态调控开关以及基于视紫红质蛋白的光驱动ATP再生系统，组合后的系统用于动态调控TCA循环的二氧化碳释放，实现了大肠杆菌在好氧生长阶段生物量对葡萄糖碳得率的提高。最后，将好氧二氧化碳减排系统与厌氧二氧化碳固定系统进行整合，工程菌株LFM-2在两阶段发酵过程中的苹果酸得率达到1.48 mol/mol，超过约束模型计算的理论得率1.44 mol/mol。上述光驱动二氧化碳封存系统还被应用于另一种四碳有机酸—丁酸的生产过程中。结果表明，工程菌株LFM-5中可以实现丁酸对葡萄糖的总得率达到0.79 mol/mol，超过模型计算理论得率0.74 mol/mol。

国家重点实验室副教授陈修来为该论文的通讯作者，生物工程学院2016级发酵工程专业博士研究生胡贵鹏为论文第一作者。该研究得到了国家自然科学基金重点项目(22038005)、国家重点研发计划(2020YFA0908500、2019YFA0904900)、国家自然科学基金(21978113、22008087)和国家轻工技术与工程一流学科自主课题(LITE2018-08)的资助。

光驱动二氧化碳封存提高化学品得率的理性设计