科學(xué)家們花費數十年對大腸桿菌（Escherichia coli）和其他微生物進(jìn)行基因改造，以將二氧化碳轉化為有用的生物產(chǎn)品。然而，大多數方法仍需額外的碳源，從而增加了成本。近期發(fā)表于《Metabolic Engineering》的一項新研究通過(guò)結合單細胞藻類(lèi)的光合作用特性與大腸桿菌的生產(chǎn)能力，成功克服了這一限制。

此前，已有研究嘗試將光合作用生物與其他微生物結合。該研究的主要負責人Yong-Su Jin教授表示，以前的研究使用藍藻吸收二氧化碳，并將其轉化為糖，隨后由細菌或酵母作為燃料和碳源。而此次的研究方法有所不同，所使用的微藻為一種突變型的小球藻（Chlamydomonas reinhardtii），其能夠吸收二氧化碳并分泌有機酸乙二醇酸。大腸桿菌能有效消耗乙二醇酸，而許多其他生物則無(wú)法利用這種物質(zhì)，相比之下，糖能夠被多種微生物廣泛吸收。

“有時(shí)糖在生產(chǎn)某些產(chǎn)品時(shí)更為有效，而有機酸則更適合其他情況。”Yong-Su Jin教授表示，“但如果我們使用乙二醇酸代替糖，就能降低被外部生物污染的風(fēng)險。”

如果讓突變型小球藻單獨生長(cháng)，它最終會(huì )產(chǎn)生過(guò)多的乙二醇酸而導致自我中毒。但當將其與大腸桿菌共培養時(shí)，細菌能夠消耗乙二醇酸，從而保持微藻的生存和相對健康。

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圖片信息：由食品科學(xué)和人類(lèi)營(yíng)養學(xué)教授 Yong-Su Jin 領(lǐng)導的研究團隊將大腸桿菌的特殊屬性與微藻的光合作用能力相結合，吸收二氧化碳并將其轉化為有用的生物化學(xué)物質(zhì)。

經(jīng)過(guò)一系列實(shí)驗，研究團隊設計了一個(gè)模塊化的共培養生物反應器。首先，在一個(gè)適合微藻生長(cháng)的隔室中單獨培養小球藻，以提高其種群密度，同時(shí)控制乙二醇酸的生產(chǎn)。在第二個(gè)隔室中，讓微藻和大腸桿菌共同生長(cháng)，使微藻能夠生產(chǎn)足夠的乙二醇酸來(lái)供給細菌，提供有用化學(xué)品生產(chǎn)所需的碳源。

“這是一種互惠共生的體系。”Jin教授說(shuō)道，“大腸桿菌通過(guò)去除乙二醇酸，使小球藻受益。”

研究人員利用這種設置成功生成了兩種有價(jià)值的化合物：番茄紅素，一種具有多種潛在益處的強效抗氧化劑，以及廣泛用于生化研究的綠色熒光蛋白。

Jin教授表示，這些化合物的成功生產(chǎn)證明了該系統的有效性。“我們也可以設想利用這一方法制造其他有價(jià)值的蛋白質(zhì)。”他補充道。

這種新方法最有可能用于那些需要小批量生產(chǎn)且成本較高的最終產(chǎn)品，而不是用于大規模生產(chǎn)低成本的產(chǎn)品，如生物燃料。“我們可以通過(guò)這種方式生產(chǎn)1000噸或10噸的產(chǎn)品，但我認為無(wú)法使用這種過(guò)程來(lái)生產(chǎn)千萬(wàn)噸的產(chǎn)品。”金教授指出，構建和維護具備適當環(huán)境控制的生物反應器對于大規模生物燃料生產(chǎn)來(lái)說(shuō)成本過(guò)高。

Jin教授還認為，這種技術(shù)在太空旅行中具有應用潛力，宇航員在飛行過(guò)程中需要為自己生產(chǎn)必要的物資。“只要我們有陽(yáng)光和二氧化碳，就可以實(shí)施這一過(guò)程。”他表示。

雜志：Metabolic Engineering

DOI：10.1016/j.ymben.2025.03.004