將太陽能驅動的二氧化碳（CO?）轉化為燃料和化學品，為發展循環化學工業提供了機遇，但不可忽視的是，多碳有機物的可控生產仍是當前面臨的重大技術挑戰。

為解決上述問題，英國劍橋大學團隊創新性地提出了一種非生物-生物多米諾級聯策略，通過整合光催化 CO?-合成氣轉化系統與經過適應性進化的合成氣發酵細菌，實現了 CO? 向高價值 C? 分子產物（如乙酸和乙醇）的高效轉化。

在這項研究中，研究團隊重點優化了微生物合成氣發酵的過程：采用適應性實驗室進化（ALE，adaptive laboratory evolution）技術對楊氏梭菌（ClClostridium ljungdahlii）進行定向改造。經過 20 代適應性進化后，獲得進化的菌株（Cladapt）相較于野生型菌株（Clwt），生長速率提升了 2.5 倍，在連續流動模式下實現了 C? 產物產量 120 倍的突破性增長。

該研究不僅為優化梭菌合成氣發酵提供了高效平臺，揭示了微生物適應性進化的潛力，更重要的是為太陽能驅動的 CO? 資源化提供了一條無機催化與生物轉化協同的創新路徑。

（來源：Chemical Science）

日前，相關論文以《光驅動級聯轉化 CO? 的氣體發酵細菌適應性改造》（Adapting Gas Fermenting Bacteria for Light-driven Domino Valorization of CO?）為題發表在Chemical Science[1]。

劍橋大學蘇林博士（目前擔任英國倫敦瑪麗女王大學講師）和博士后圣地亞哥?羅德里格斯-希門尼斯（Santiago Rodríguez-Jiménez）是共同第一作者，劍橋大學歐文·萊斯納（Erwin Reisner）教授擔任通訊作者。

圖丨相關論文（來源：Chemical Science）

在 CO? 轉化領域，化學催化與生物轉化方法“各有千秋”：前者擅長生產 C1-C2 簡單化合物，而后者則更適于合成 C2-C5 等復雜有機物。本研究通過整合這兩種方法的優勢，提出“光催化-微生物”級聯策略來探索生物催化延長碳鏈的新路徑，以期實現更高效、低成本的 CO? 資源化利用。

該研究是一項跨化學、生物等學科的工作，研究團隊創新性地將不同學科技術，如多米諾反應等進行系統整合。其核心創新在于成功實現了這些技術的協同組裝與應用。雖然單獨來看，包括菌株本身、光響應半導體、分子催化劑和 CO? 轉化器在內的組件都已有前人研究，但通過工程化的整合策略，研究團隊建立了一套獨特的系統解決方案。

該研究最具突破性的進展在于，首次將光催化 CO? 還原與適應性進化后的氣體發酵細菌相結合，建立了從 CO? 到多碳化學品的直接轉化路徑。具體而言，光催化系統利用太陽能將 CO? 轉化為合成氣（CO/H?/CO? 混合物），隨后通過管路連接的氣體發酵細菌將合成氣進一步轉化為高附加值有機物。

圖丨產乙醇梭菌的 ALE（來源：Chemical Science）

然而，這一概念的實踐面臨嚴峻挑戰：團隊選用的Clostridium ljungdahlii產酸菌雖在文獻中被報道具有高效合成氣轉化能力，但實際操作中發現野生型菌株性能遠未達標。需要指出的是，這類嚴格厭氧菌不僅生長緩慢，其分子生物學研究工具也相對匱乏，全球僅有少數團隊具備相關研究基礎。

盡管蘇林是一名具有微生物背景的研究者，但這也是他首次接觸這類菌株，并經歷了艱難的學習和探索。經過半年多的探索和兩批野生菌株的失敗嘗試后，最終通過 ALE 方法成功馴化出能夠在特定條件下生長和篩選的菌株（Cladapt）。

蘇林對 DeepTech 表示：“這種方法避免了復雜的分子生物學操作，經過馴化的菌株表現出驚人的性能提升，甚至達到了 120 倍的效率增長，這讓我們備受鼓舞。”

為了深入探究Cladapt在合成氣發酵過程中的代謝機制，研究團隊進行了同位素標記實驗。結果表明，Cladapt能夠高效地將合成氣中的碳轉化為乙酸和乙醇，其產物中的 13C/12C 比例分別達到 86:14 和 95:5。這說明Cladapt在合成氣的攝取和轉化方面具有更高的效率。此外，全基因組測序分析揭示了Cladapt中存在 8 個關鍵突變位點，這些突變可能與其增強的代謝能力有關。

（來源：Chemical Science）

在實現了氣體發酵細菌的優化之后，研究團隊進一步探索了將光催化技術與氣體發酵相結合的可能性。他們采用了一種基于二氧化鈦（TiO?）和磷酰化鈷雜化光催化劑的完整級聯系統，成功地將二氧化碳轉化為合成氣，為細菌發酵提供了必要的原料。

具體來說，首先利用半導體光催化材料將 CO? 轉化為合成氣（CO/H?/CO? 混合物），隨后通過管路連接化學與生物反應器構建級聯系統。雖然這一簡化設計在研究初期因氣壓和冷凝水等問題效果欠佳，但通過后續優化成功實現了系統穩定運行。

在模擬太陽光照射下，該系統能夠產生足夠的合成氣，供Cladapt進行光催化二氧化碳合成氣 C? 轉化反應。實驗結果顯示，在 6 天的連續實驗中，光催化劑轉化二氧化碳產生了 1.3mmol 的一氧化碳，Cladapt利用這些合成氣進行自我生長（OD600 提高），并產生了 0.46±0.07mM 的乙酸。而未經過 ALE 馴化的野生菌Clwt則幾乎沒有 C? 產物的合成。

蘇林指出，盡管這一數值仍低于直接使用工業合成氣的效果，但證明了“光催化-微生物”級聯反應的可行性。

（來源：Chemical Science）

需要了解的是，該技術若在實際場景應用，仍面臨兩個關鍵挑戰：首先是反應器系統的工程化放大，這直接關系到技術轉化和成本控制，需要專業的化工設計來解決實驗室簡易裝置與工業應用間的差距；其次是產物附加值問題，當前主要產物乙酸和乙醇的工業價值有限，未來需要通過代謝工程改造或新通路引入來提升產物附加值。

圖丨蘇林（來源：蘇林）

蘇林在東南大學獲得博士學位，期間先后在美國勞倫斯伯克利國家實驗室和美國萊斯大學訪問研究，之后加入劍橋大學歐文教授團隊開展生物-混合系統設計的博士后研究。

自 2025 年 2 月起，他在倫敦瑪麗女王大學生物與行為科學學院擔任講師，主要研究方向包括電活性微生物機理及合成生物學改造、微生物-電極界面交互及生物電傳感、氣體發酵和人工光合作用等。

目前，蘇林正計劃帶領團隊沿著界面傳遞和微生物內部代謝的方向繼續開展研究，嘗試利用氣體發酵菌Clostridium來取得進一步的進展。同時，他還積極與國內相關團隊展開合作，以探索更多的可能性，目前該實驗室正在招收博士生 [2]。

參考資料：

1.Lin,S. et al. Adapting Gas Fermenting Bacteria for Light-driven Domino Valorization of CO? .Chemical Science(2025). https://doi.org/10.1039/D5SC00764J

2.https://biohybrids.group

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