CO2过量排放会导致气候变化和环境破坏。微生物电合成是一种新型的、具有广阔应用前景的绿色可持续CO2还原固定技术，通过向微生物提供电能，形成细胞内还原当量，用于还原CO2并合成燃料和化学品，如氢、长碳链醇和碳氢化合物等。人们已经发现，有些产乙酸菌拥有向内传导电子的能力，即可以通过直接与电极接触，从电极吸收电子来实现微生物的电合成，将CO2转化为乙酸。但是这些产乙酸菌基因水平的编辑方法尚未建立，从而极大地阻碍了电子传递效率的进一步工程化提升以及可能合成的产品多样性。

为了克服这一缺点，天津大学化工学院的宋浩教授课题组设计了酶辅助的微生物电合成系统（“酶-微生物细胞-生物电化学”复合体系），利用能较方便实现基因水平编辑的非电活性细菌（如该研究采用的罗尔斯通氏菌Ralstonia eutrophaH16），通过可溶性电子载体（例如易于发生氧化还原的染料分子，像中性红等）作为媒介，从电极间接吸收电子来获得胞内还原力，用于CO2的生物还原，从而实现以CO2作为碳源、水作为氢源、电能作为能源的微生物电合成系统来合成聚羟基丁酸酯（PHB）——一种可完全降解的环保型生物塑料。

图1. FDH酶辅助的微生物电合成系统高效还原CO2来合成PHB

首先，为了避免电化学催化中生成的反应性氧物种对细胞生长的抑制，他们采用双室生物电化学反应器，其中阴极室的罗尔斯通氏菌由质子交换膜与阳极室隔离，阳极产生的反应性氧物种无法穿透质子交换膜到达阴极。其次，他们构建了酶辅助的微生物电合成系统，将甲酸脱氢酶（FDH）与中性红介导的微生物电合成系统结合，大大降低了过电势，只需要提供-0.6 V的恒电位就可以驱动微生物电合成系统的运行，大大节省了电能。另一方面，酶催化形成的甲酸和中性红都可以作为电子载体供给细胞内还原力，这种“双管齐下”的电子供给模式极大地加速了从阴极到罗尔斯通氏菌细胞内的电子传输速率。第三，他们在底盘菌株罗尔斯通氏菌中异源表达了来自细长聚球藻PCC7942的关键酶1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶（Rubisco），有效地提高了开尔文循环的效率，从而有效提高CO2的固定速率和聚羟基丁酸酯的合成产率。

这项研究设计出一种新型的构建高效微生物电合成系统的方法，有效实现了将CO2转化为聚羟基丁酸酯（PHB）。一方面，他们通过将甲酸脱氢酶（FDH）加入到微生物电合成系统中加速电子从工作电极（阴极）到微生物细胞的传输速率，大大提高了PHB的产率，达到378 mg/L。另一方面，他们通过将CBB循环中的关键酶1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶（Rubisco）引入罗尔斯通氏菌H16，最高的PHB产率达到472 mg/L，比对照菌（PHB产量为164 mg/L）高2.9倍。

图2. 设计新型的酶辅助微生物电合成系统以及工程改造罗尔斯通氏菌H16的Rubisco基因实现高效固定还原CO2和聚羟基丁酸酯（PHB）的生物合成

这一成果近期发表在ACS Catalysis上，文章的第一作者是天津大学化工学院的硕士研究生陈晓丽、讲师曹英秀博士和博士研究生李锋。

该论文作者为：Xiaoli Chen, Yingxiu Cao, Feng Li, Yao Tian and Hao Song