摘要：面对不断恶化的气候危机,开展二氧化碳的减排和资源化利用,向低碳和可持续发展模式转型已经迫在眉睫.其中大力发展绿色生物经济,开发高效的生物法固定二氧化碳和其衍生的碳一底物策略,并驱动化学品规模化生物制造,将发挥举足轻重的作用.本文围绕生物基化学品低碳合成,特别是以基于碳一化合物为原料的高附加值产品生物合成为重点,首先简要回顾了近几年相关领域的研究进展,包括提高自养微生物固碳效率、赋能大肠杆菌和酵母菌等异养微生物固碳效能、体外组装多酶体系进行固碳合成等;然后讨论了利用碳一化合物进行生物合成面临的科技挑战,包括固碳途径能量和还原力的消耗、较低的固碳效率与工业应用实际需求之间的巨大差异,并从工业应用角度讨论了混合底物及混合培养发酵的可行性.重点提出并探讨了聚焦甲醛为核心中间体的代谢途径的人工设计和优化策略,强调了甲醛在从无机碳到有机碳的转化以及碳链延长等方面的重要作用.作为能量供给及甲醛的来源之一,本文还介绍了电生物合成技术在低碳生物合成方面的潜力及面临的挑战.以1,3-丙二醇的生物合成为例,阐述了C1和C2以及电生物合成技术在这一重要大宗化学品生物合成中的应用途径.最后,讨论了从基础研究的0到1的原理突破进步到1到100的工业应用的挑战以及值得关注的核心科学和技术问题.

摘要：二氧化碳等温室气体排放导致的全球气候变暖及相应的气候灾难日益严重,开发高效二氧化碳捕获和利用 技术迫在眉睫。利用生物制造技术固定二氧化碳是合成生物学工程科学的一个重要攻关方向,其中挖掘和组装无 细胞多酶分子机器赋能二氧化碳高值利用,由于背景清晰、调控相对简单、副反应少和产率高等优点,受到越来 越多的关注。近期,JamesC. Liao教授团队人工设计和开发了新型的多酶复合分子机器,建立了用于二氧化碳固 定的闭合循环反应-还原型乙醛酸-丙酮酸合成路径 (reductive glyoxylate-pyruvate synthesis cycle),可以理论上实现 2分子二氧化碳 (碳酸氢盐) 到 1分子乙醛酸的合成反应,并设计和尝试了反应过程中监控辅因子浓度以提高酶 稳定性的策略。本文基于设计和组装体外多酶分子机器,聚焦辅因子工程以及利用多酶分子机器固定二氧化碳所 面临的挑战等角度讨论这篇工作并简述作者的相关思考。

摘要：1,3-丙二醇(PDO)是一种重要的化工原料,广泛应用于材料和化妆品等领域。生物制造PDO具有原料可再生性和环境友好性等众多优点和广阔的发展前景。由于巴氏梭菌(Clostridium pasteurianum)菌株安全、非致病、代谢甘油速率快、生长快、不依赖昂贵的培养基组分、天然具备高效生产PDO代谢途径等条件,利用和改造巴氏梭菌作为工业底盘生产PDO呈现出得天独厚的优势。本文首先回顾了PDO的生物制造现状和挑战,随后深入探讨了采用巴氏梭菌生产PDO的方法,特别关注于巴氏梭菌的甘油代谢机制、甘油发酵的策略和发酵过程的工艺设计。值得一提的是,本文作者研究团队筛选到的巴氏梭菌突变体和随之开发的鲁棒性发酵工艺在一定程度上突破了传统巴氏梭菌对环境的要求,特别是对铁离子浓度的敏感性;在电辅助甘油发酵过程中,PDO产量达到120.7 g/L,生产强度达到4.8 g/(L·h),收率达到理论值;并进一步阐述了巴氏梭菌基因工程改造方面的天然屏障,围绕着理性基因组改造和定向进化等几个方面进行了详细讨论;由于PDO产品纯度(>99.9%)通常有较高要求,因此开发高效的下游处理技术对于实现利用可再生资源发酵生产PDO的工业化应用至关重要,本文在分离工艺方面主要讨论了基于蒸发和蒸馏的PDO纯化技术以及基于萃取的PDO纯化技术。通过对代谢工程、菌种进化、发酵过程优化以及产品分离等多个维度全方位分析,全面地解析了巴氏梭菌生产PDO的特点和优势,以及巴氏梭菌作为新型工业底盘微生物在未来发展过程中值得关注的问题。