人工光合作用新突破：科學家用陽光和空氣“種”出活細菌

未來，發酵罐里可能不再需要糖了。

在大多數人印象中，發酵工業往往就是在大罐子里泡著糖水養酵母或細菌。現在，英國倫敦瑪麗女王大學、劍橋大學與以色列魏茨曼科學研究所團隊的一項研究證明，工程大腸桿菌能夠在不添加任何糖類或有機碳源的條件下，僅依靠太陽能驅動產生的甲酸鹽和二氧化碳（CO?）完成生長。

研究人員搭建了一套將有機光伏、酶催化與工程大腸桿菌整合在同一反應器、以甲酸鹽為能量中介的太陽能驅動 CO? 轉化生物質平臺，通過結合“半人造葉片”和經過長期進化的工程大腸桿菌，用陽光和水將二氧化碳直接轉化為活體細菌生物質。

在不引入植物、藻類或光合細菌的前提下，該系統實現了類似自然光合作用的碳固定過程，且不需要額外添加任何糖類或其他有機碳源。

具體來說，這種裝置在有機光伏驅動下，通過甲酸脫氫酶（FDH）催化將二氧化碳還原為甲酸鹽，光陽極同步氧化水釋放氧氣，工程化大腸桿菌在同一液體中“吃掉”甲酸鹽作為能源，驅動細菌將外源二氧化碳固定實現生長。

從本質上來看，整個過程是模擬自然界的光合作用，而不同之處在于，其將植物體內的復雜生化反應拆解到體外，并用工程手段進行重新組合。值得關注的是，經過 168 天篩選和 27 輪持續進化，菌株達到穩定期 OD???≈0.2 所需的時間從 13 天縮短到僅需 2 天。

圖丨蘇林（左一）與 Erwin Reisner 教授在實驗室（來源：受訪者）

該論文第一作者、倫敦瑪麗女王大學講師蘇林博士對 DeepTech 表示：“這項研究首次在同一容器內，打通了從光能到細菌生物質生成的完整鏈條。這就像在實驗室里建了人工葉綠體，不僅解決了自然光合作用的低效率瓶頸，還為合成生物學定向生產化學品提供了一種可編程平臺。”

相關論文以《利用光電化學實現自養型大腸桿菌的太陽能驅動生長》（Towards solar-powered growth of autotrophic Escherichia coli using photoelectrochemistry）為題發表在 JACS 上 [1]。蘇林博士和劍橋大學 Celine Wing See Yeung 博士是共同第一作者，Erwin Reisner 教授擔任通訊作者。

圖丨相關論文（來源：JACS）

植物和浮游植物每年通過葉綠素、陽光和水可固定約 1,000 億噸碳。在可再生化學領域，一個長期的難題是，該過程能否在不依賴燃燒化石燃料的條件下，用人造組件搭建出合成版本。

太陽能利用通常分為兩類路徑：純化學路徑（利用太陽能驅動電催化或光催化合成燃料分子）和純生物路徑（利用藍藻等光合生物固定二氧化碳）。兩者各有長短：化學路徑具備較高的太陽能轉化效率，但貴金屬催化劑成本高，且難以一步合成多碳或結構復雜的產物；生物路徑擅長合成復雜代謝產物，但太陽能轉化效率較低，產物譜也受限于本身的代謝能力。

半人工光合作用（semi-artificial photosynthesis）正是把二者結合起來的策略：化學路徑負責把太陽能高效轉化為甲酸（鹽）、乙酸（鹽）等簡單中間體，再把這些中間體作為底物提供給生物系統，合成更復雜的目標產物。

然而，其落地面臨一個核心挑戰：化學催化過程與生物合成過程往往不能在同一個反應器中同時運轉。化學側所需的高電位、強電解液或金屬離子環境，常會損傷細菌或抑制其代謝。

那么，化學催化與生物代謝究竟能不能在同一種液體里同時工作？研究團隊希望，通過這項研究找到這個問題的答案。

實現這個目標看似簡單，但實際操作起來卻充滿挑戰：有的系統用了含有毒性金屬離子的電極，細菌容易被毒死；而有的系統則需要添加額外的有機物才能維持細菌生長，無法做到以 CO? 作為唯一碳源；還有的系統能量轉換效率過低，無法支撐連續培養的任務。

圖丨自然光合作用與工程化光合作用（來源：JACS）

總體來說，必須同時解決的三個問題是：速率匹配、化學環境對生物無毒以及所有催化反應必須在同一種液體中發生。

研究人員設想了一個新的方案：用電化學裝置充當“人工葉綠體”，讓電極的一面氧化水、提供電子，另一面則用這些電子把二氧化碳還原成一種小分子有機物（甲酸鹽）。工程化大腸桿菌在同一液相環境中攝取甲酸鹽，在細胞內將其氧化回二氧化碳以釋放還原力（電子），再通過卡爾文循環驅動外源二氧化碳固定成生物質。

蘇林解釋說道：“水氧化產生的氧氣之所以能夠在同一反應器里被細菌消耗掉，原因在于工程大腸桿菌需要氧氣作為呼吸鏈末端的電子受體。”

這一流程對應的是天然光合作用：植物的光反應制造三磷酸腺苷（ATP）和還原型輔酶Ⅱ（NADPH）并釋放氧氣；暗反應利用這部分能量，通過卡爾文循環把二氧化碳固定成糖。在研究團隊開發的裝置中，光反應在半導體與酶的共同作用下完成，暗反應則由大腸桿菌完成。

為什么選甲酸鹽作為化學側與生物側的“接力棒”？這一選擇背后有具體的考量。

與氫氣（儲運困難、易燃易爆）、一氧化碳（毒性高、水溶性差）或乙酸鹽（電化學合成需要多電子轉移、效率較低）相比，甲酸鹽具有幾個獨特優勢：它是常溫下的液體，易于在水相中儲存和運輸；CO? 還原成甲酸鹽只需兩個電子，是熱力學上最容易實現的 CO? 還原產物之一；同時，甲酸鹽在細胞內既可被氧化釋放還原力（電子）供能，氧化產物又是 CO?，可重新進入細菌的碳固定循環，實現碳的內部閉環。基于這些優勢，以甲酸鹽為樞紐構建可再生化學品生產體系的理念，在文獻中被稱為“甲酸鹽生物經濟”（formate bioeconomy）。

在這項研究中，研究團隊進行了遞進式驗證。他們面臨的第一個挑戰是：細菌“吃”甲酸鹽的速度太慢了。研究人員選用大腸桿菌作為底盤生物，盡管這是一種實驗室中常用的模式生物基因操作工具成熟，而且工業化生產經驗豐富，但野生型的大腸桿菌并不擅長利用甲酸鹽。

此前，魏茨曼科學研究所 Ron Milo 教授課題組基于代謝工程改造，構建出可利用甲酸鹽和二氧化碳生長的自養型大腸桿菌，相關論文分別發表于 Cell（2019）與 eLife（2024）。但改造菌的生長是一個漫長的過程，需要經歷兩周才能生長到可見的濃度。

為了讓改造菌實現高效生存，研究人員在 Milo 課題組前期菌株的基礎上進行了適應性實驗室進化（ALE）實驗。他們將培養物反復稀釋到新鮮培養基中，讓自然選擇來完成工作。

經過共 168 天、 27 次連續傳代，分離到一株進化后的菌株在 2 天內達到了與此前 13 天同樣的密度（OD??? ≈ 0.2），進而在細菌方面解決了速率匹配的問題。

圖丨甲酸鹽上加速的自養生長（來源：JACS）

基因組測序數據顯示，進化后的菌株在 pitA 基因上出現了一個單堿基插入突變，該基因編碼的是低親和力的無機磷酸鹽轉運蛋白。

當研究人員通過 P1 噬菌體介導的轉導將該突變人為修復回去后，結果顯示，回復株的生長速度顯著低于進化株。

蘇林指出，這說明該突變對甲酸鹽利用效率的提升有實質性貢獻。“據我們推測，pitA 失活可能有助于維持細胞內的質子動力平衡，在甲酸鹽代謝導致培養液堿化的條件下為細菌爭取到了更好的生存優勢。”

解決了快速“吃”甲酸鹽菌株的挑戰，但新的難題隨之而來：改造后的菌株能否直接利用電化學反應生成的甲酸鹽？

研究團隊在鈦箔上制備了一種具有層級多孔結構的二氧化鈦（TiO?）電極，并在電極上固定了兩種酶：一種是來自硫酸鹽還原菌的甲酸脫氫酶（FDH），這種酶能將二氧化碳還原成甲酸鹽，而且耐氧性好，無需苛刻的厭氧條件；另一種則來自碳酸酐酶（CA），它的作用是通過加速二氧化碳的水合反應，防止電極表面由于局部堿化而導致甲酸脫氫酶失活。

在小幅外加電位（–0.4V vs. 可逆氫電極）下，這個陰極在 10 小時內以 98±1% 的法拉第效率持續工作。也就是說，進入電極的每個電子基本上都以甲酸鹽的形式輸出，且幾乎不產生副反應。

在 5mL 緩沖液里累積了約 25mmol/L 的甲酸鹽，為實現細菌培養提供支持。當研究人員將電解后的液體轉入燒瓶、補上微量元素，再接種進化后的大腸桿菌時，結果顯示，細胞能夠在 6 天內穩定生長，并消耗了幾乎生成的全部甲酸鹽。

（來源：受訪者）

但問題還沒有結束。到這一步，電能仍由外接電源提供。要真正復現自然光合作用的邏輯，必須把這部分電力替換為陽光。為此，研究團隊選用全有機的半導體材料構建光伏器件，以防止傳統光伏器件中可能含有的重金屬離子毒性。

這種有機光伏器件在光照下能夠提供約 1 伏的開路電壓，足以驅動甲酸脫氫酶工作。研究人員將酶修飾電極與有機光伏器件相結合，形成了一個生物光陰極。

在模擬太陽光照射下，該光陰極在相對于可逆氫電極 0.6 伏的工作電位下，產生了約 3 毫安每平方厘米的光電流，連續運行 10 小時產生了 338 微摩爾每平方厘米的甲酸鹽，法拉第效率仍可保持在約 97%。

通過這批太陽能制造的甲酸鹽培養進化后的大腸桿菌，細菌實現了正常生長 3 天，最終濃度與此前用電解實驗的甲酸鹽培養的情況相當。

（來源：JACS）

至此，研究團隊已分別驗證光驅動產甲酸鹽和細菌吃甲酸鹽生長兩個環節。但是，如何將二者裝進同一個容器中，讓它同時進行呢？

研究人員將集成版的裝置稱為“半人造葉片”，不需要外加電壓，只要光照就能工作。整個裝置直接浸泡在含有大腸桿菌的培養液里。光照下，陰極產生甲酸鹽，陽極產生氧氣。

甲酸鹽被細菌吃掉用于生長，氧氣則被細菌用于呼吸。這套系統在連續 20 小時的光照下，產生約 79 微摩爾每平方厘米的甲酸鹽和 26 微摩爾每平方厘米的氧氣。

綜合來看，這項研究呈現出一條從陽光、水和二氧化碳到細菌生物質連續轉換的完整邏輯鏈條：用適應性進化讓大腸桿菌獲得快速利用甲酸鹽的能力，然后用酶修飾電極實現了從二氧化碳到甲酸鹽的高效電化學和光化學轉化，最終將二者整合在同一反應器中。

這項研究展示了一種新的可能性，用工程細菌和光電器件搭“人工葉綠體”，將二氧化碳變成有用的物質。需要看到的是，現階段，這套系統也面臨一系列問題，例如氧氣管理尚未穩定、長期運行的循環性能有待驗證，以及進一步在更大規模的反應器中進行驗證。目前裝置的連續運行時間在 10–20 小時量級，距離工業應用所需的數百乃至數千小時長程穩定性還有較大差距。

但這項研究的更重要的價值在于實現了概念驗證：僅以陽光、二氧化碳和水為底物，而不依賴糧食（比如玉米做的葡萄糖）和復雜的有機營養，就能培養出微生物生物質。

目前，蘇林正在倫敦瑪麗女王大學新建立的獨立課題組中繼續這一方向的探索。該課題組延續了他在劍橋進行博后研究時期的生物雜化系統（biohybrid）思路，聚焦于工程生物與合成材料之間的電子傳遞界面，并嘗試將這一平臺從 CO? 還原拓展到氮氣（N?）固定、塑料降解等更具挑戰性的反應。“歡迎對生物–材料界面感興趣的研究人員加入我們課題組或開展合作。”蘇林說。

未來，如果該平臺能夠與直接空氣捕集技術耦合并實現規模化放大，有可能實現在太陽能驅動下，直接“種”出微生物蛋白、化工原料甚至燃料。

參考資料：

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

運營/排版：何晨龍

注：封面/首圖由 AI 輔助生成