近期，江南大学生物工程学院陈修来教授团队在二氧化碳生物利用方面取得重要进展，研究成果“Light-powered CO2 fixation biosystem for the direct biosynthesis of multi-carbon chemicals from CO2”正式发表于Chinese Journal of Catalysis。
二氧化碳（CO2）的高效固定与转化是实现碳中和目标和发展可持续生物制造的重要基础。然而，自然界中已知的固碳途径在能量效率、反应速率及产物多样性方面均存在明显局限，尤其是以CBB循环为代表的天然固碳循环，受到CO2固定途径效率不高、生物转化系统中还原力与能量再生能力不足以及产物种类单一等因素的制约，难以满足高效生物转化和工业应用的需求。因此，构建能够高效利用光能、突破天然代谢限制的人工固碳体系，已成为当前合成生物学与生物催化领域的研究热点。
为应对CO2生物转化在实际应用中面临的挑战，陈修来教授团队构建了一种光驱动CO2固定生物系统（LCFB），该研究通过将一种全新的人工设计固碳途径——丙酮酸脱羧酶/苹果酸酶（PM）循环，与天然类囊体膜（TKs）相耦合，构建了集CO2固定、能量再生和还原力供给于一体的系统。首先，通过代谢逆合成的方法，构建了一条固定CO2合成乙醛酸的PM循环。通过路径关键酶的挖掘与筛选，结合路径模块化重构与优化，并利用13C同位素示踪技术证明了PM循环的有效性。其次，为满足PM循环对能量和还原力的需求，该研究利用菠菜的TKs构建了一种基于天然TKs的光驱动能量和还原力再生引擎，其中ATP和NADPH的再生速率分别为1.87和2.5 μmol L–1 min–1 μg–1 Chl。基于PM循环和菠菜TKs的可行性，组装构建了光驱动CO2固定合成乙醛酸的LCFB系统，CO2固定速率达到了2.37 nmol min–1 mg–1蛋白。最后，以“即插即用”的模块化策略，将LCFB系统分别与C2、C3和C4回补路径相结合，构建了光驱动的PM-C2、PM-C3和PM-C4路径，成功实现了利用CO2直接生物合成多样化的多碳化学品，包括：醇类、醛类、酸类以及氨类。
总体而言，该研究提出并验证了一种兼具高效率、模块化扩展性和产物多样性的光驱动固碳生物系统，为构建“碳负排放”的生物制造平台提供了新的思路，也为未来人工固碳系统与可持续化学生产的深度融合奠定了重要基础。
陈修来教授为论文的通讯作者，我校2024级博士李莹莹为第一作者。上述研究得到了国家自然科学基金(22378166)、江苏省基础研究计划项目和江苏省合成生物基础研究中心基金(BK20233003)、中央高校基本科研业务费专项资金(JUSRP622001)、江苏省研究生科研与实践创新项目(KYCX25_2707)等项目的资助。
近年来陈修来教授团队长期从事一碳化合物生物捕集、转化与利用研究，在系统开展一碳化合物生物利用方面取得了系列创新成果。相关研究成果已发表在Nature Catalysis (2022，2021)、Nature Communication (2020)、Energy & Environmental Science (2024)、Chinese Journal of Catalysis (2026，2024)、Chemical Engineering Journal (2025，2024)等本领域权威期刊。
论文链接：(https://doi.org/10.1016/S1872-2067(26)64977-7。
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