科学家绘制出一条可让微生物通过发酵二氧化碳来制造燃料的途径

这种非凡的能力--将二氧化碳发酵成化学能源--对于研究细菌中细微而复杂的化学反应的科学家来说并不陌生。其中包括美国国家可再生能源实验(NREL)的研究员Wei Xiong，他称气体发酵细菌提供了将二氧化碳等废气转化为可持续燃料的经验。

“CO2的清除和转化是全世界关注的问题，因为CO2是大气中最重要的热捕集（温室）气体。CO2固定的途径是一个关键问题，”Xiong说道，“我们对在细菌中设计新的二氧化碳固定途径特别感兴趣以帮助它们合成关键的生物燃料前体如乙酰辅酶A(acetyl-CoA)。”

乙酰辅酶A是制造多种燃料化学品的主要成分，包括脂肪酸、异丙醇和丁醇。目前，Xiong和他的同事已经证明了如何利用气体发酵细菌中的一条新途径来改进燃料前体的生产。通过这种方式，他们为在工业规模上使用生物方法来捕获和转化二氧化碳提供了可能性。

简单的碳会计：C1 + C1 = C2

细菌的气体发酵遵循一系列线性反应，科学家们称之为Wood-Ljungdahl途径。这是以Harland G. Wood和Lars G. Ljungdahl教授命名的，他们在20世纪80年代发现了这一途径。简单地说，酶利用附近的氢气或一氧化碳气体的电能将CO2从其碳中剥离。然后，它们将这些单碳原子（C1）中的两个贴在细菌中已经存在的一个较大的分子上，其被称为辅酶A（CoA）。通过将两个碳柄（C2）附着在这个辅助分子上，它们变得更容易用于其他反应。

最后的结果是什么？乙酰辅酶A，这是一种能量和碳密度更高的分子，可以支持细菌的生长。另外，它还是制造有价值的、气候友好型生物燃料的一个方便的前体。

然而尽管它非常聪明，但仅靠Wood-Ljungdahl的途径可能还不足以用于工业用途。此外，其看似简单的数学运算（C1 + C1 = C2）实际上是一个令人眼花缭乱的化学反应的结果。“由于酶的复杂性，设计这一途径以提高效率是具有挑战性的，”Xiong说道。

为了避免直接改进Wood-Ljungdahl途径，研究人员开始构思一条全新的乙酰CoA制造途径。通过利用NREL开发的名为PathParser的计算机模型和最先进的遗传工具，研究小组在一种名为Ljungdahlii梭菌的气体发酵细菌中发明了一种新的二氧化碳固定途径。

最后，数学计算结果是一样的：C1 + C1 = C2。

但为了达到这个目的，这当中包含了一对平行的反应--一辆有两个轮子的固碳自行车，它们被用来共同捕捉二氧化碳，然后利用一系列的化学齿轮将其转化并重新定向以推动乙酰辅酶A的生成。如果添加到气体发酵细菌中，那么该途径可以补充Wood-Ljungdahl途径从而更有效地产生乙酰辅酶A。

我们能通过发酵实现碳中和吗？

现在并不缺乏废气，而且在未来很长一段时间内，这可能仍是事实。重工业每年释放出数百万吨的二氧化碳--提炼生物燃料、制造钢铁或搅拌混凝土的副产品。科学家们正在探索在二氧化碳进入大气层之前就对其进行捕捉和储存--最好是利用--的技术。

“在全球变暖和气候变化的背景下，科学家们从微生物代谢中寻求新的解决方案，从而将二氧化碳转化为燃料和化学品。气体发酵细菌实际上固定了二氧化碳，这代表了一种满足我们的能源和环境需求的负碳方式，”Xiong说道。