近日，LanzaTech、西北大学和美国能源部橡树岭国家实验室（以下简称为 ORNL）的科学家联合开发了碳捕获技术，该技术可利用工业生产中产生的二氧化碳生产丙酮和异丙醇。此研究于周一（ 2 月 21 日）发表在 Nature Biotechnology 上。

（来源：Nature Biotechnology）

丙酮和异丙醇几乎随处可见，可用作燃料、织物和化妆品，是全球市场总和超过 100 亿美元的化学品。丙酮是许多塑料和合成纤维、稀释聚酯树脂、清洁工具和指甲油去除剂的溶剂。异丙醇广泛用作消毒剂和防腐剂，是世界卫生组织推荐的两种消毒剂配方之一的基础，可高效杀死 SARS-CoV-2 病毒。

这两种化学品被广泛使用，是数千种产品的基础，但它们是由化石燃料产生的，会排放导致气候变暖的 CO2。

西北大学的研究人员基于 LanzaTech 技术开发了一种高效的新工艺，该工艺使用一种名为 Clostridium autoethanogenum（产乙醇梭菌）的工程细菌将废气（例如重工业排放物或生物质产生的合成气）转化为丙酮和异丙醇。

“这种创新由菌株工程和优化途径酶的无细胞策略引领，将生产时间缩短了一年半。”西北大学麦考密克工程学院化学和生物工程教授 Michael Jewett 表示。

科学家们采用了三管齐下的方法，包括途径筛选、菌株优化和工艺开发方面的创新。作为第一步，LanzaTech 筛选了近 300 株菌株，以获取可用于丙酮和异丙醇生产途径的酶。在确定了有用的菌株后，科学家们建立了一个组合 DNA 文库——这是此类微生物有史以来最大的一个——以寻找优化丙酮生产的酶变体。

图丨从概念验证到工业水平推进从废气中生产丙酮和异丙醇的应用工具和策略概述（来源：研究论文）

然后利用尖端的合成生物学工具，包括西北大学的无细胞系统的原型设计、LanzaTech 的高级建模和 ORNL 的分子分析进一步优化。最后，扩大优化菌株的规模，实现了高达 3/g/L/h 的工业生产率，C1 气体可长时间（约 3 周）连续生产而不会降低性能。目前该工艺已扩大到工业中试规模，还有望简化生产其他有价值化学品的流程。

在此项研究中，ORNL 的科学家发现该微生物可产生大量的化合物 3-HB，这种化合物位于关键代谢途径的中间，会将碳源引向其他方向，而这需要下游处理并增加工艺成本。ORNL 通过蛋白质和代谢物谱显示了细胞内部产生瓶颈的位置，可得出下一步需要修改哪些途径，以使更多的碳流向产品。

此次合作是 ORNL 和 LanzaTech 之间长期合作关系中的最新一次，2015 年，由 ORNL 和 LanzaTech 科学家组成的团队对整个 Clostridium autoethanogenum 菌种进行了基因组测序，为当前研究奠定了基础。

LanzaTech 目前正在扩展这项技术，该技术可以嵌入到现有系统中，并在全球范围内部署使用。其合成生物学副总裁 Michael Köpke 表示，“ORNL 在 DNA 测序、系统生物学以及各种代谢组学和蛋白质组学方面具有非常独特的能力，ORNL 的专业知识帮助我们排除流程中的故障，找出哪些步骤可能受到限制。”

这种生物工艺为这些基本化学品的生产路线提供了一种可持续的替代方案。在进行生命周期分析后，该团队发现，如果广泛采用，与传统工艺相比，负碳平台可以减少 160% 的温室气体排放。

参考资料：

  • https://www.sciencedaily.com/releases/2022/02/220221115409.htm

  • https://www.newswise.com/doescience/carbon-negative-platform-turns-waste-gases-into-valuable-chemicals/?article_id=765834

  • https://www.nature.com/articles/s41587-021-01195-w

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