《ACS ES&T Engineering》：Engineering Electro-microbial Routes for Carbon-Neutral Biomanufacturing
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二氧化碳電化學轉化與生物制造協同技術進展，探討從氫氣到甲酸、乙酸的介質優化，揭示工程生物學在代謝重編程與抗逆改造中的核心作用，提出跨學科整合是實現高效碳中和技術的關鍵路徑。
將二氧化碳（CO
2）作為可持續生物制造的原料進行轉化，已成為應對全球氣候挑戰的關鍵策略。在過去的十年中，電化學過程與生物轉化的結合為將二氧化碳轉化為高附加值產品（包括生物燃料、生物化學品和生物塑料）建立了一個堅實的技術框架（
圖1）。這些系統通常利用氫氣（H
2）、甲酸或甲醇等電化學產生的能量載體來驅動微生物生長，而二氧化碳或其還原衍生物則作為生物化學生產的主要碳源（
1）。值得注意的是，當這些電微生物系統與光伏發電結合時，其太陽能到化學能的轉化效率可達到約10%（
2），遠高于自然光合作用的約1%的效率。此外，這種混合方法能夠實現較高的產品選擇性，而這在純非生物催化系統中通常是缺乏的（
1）。
圖1
圖1. (a) 通過H2、C1和C2化合物介導的電微生物生產過程，這些中間體在材料科學與生物系統之間起到了橋梁作用。(b) 使用C. necator作為微生物平臺的最新電微生物系統的PHA產率。
由于電解技術的進步，自2010年代以來，該領域在如何將還原能量從非生物電極傳遞到生物催化劑方面經歷了重要的范式轉變。早期研究主要依賴于H
2介導的電子轉移（
2）；然而，由于其低溶解度、傳質限制和安全性問題，研究人員轉向了使用可溶性C
1和C
2中間體（如甲酸和乙酸）（
3,4）（
圖1）。這些C
1和C
2中間體為電化學二氧化碳還原與下游生物合成提供了更可擴展且動力學上更有利的接口。
工程生物學也是下一代電微生物生產的重要支柱。它通過重新設計代謝途徑和增強細胞穩定性，將電化學領域的進展轉化為生物性能。代謝工程長期以來一直通過系統性地克服野生型微生物的生理限制來支持工業發酵。在電微生物系統的背景下，它使得工業底盤能夠高效地將電化學產生的前體轉化為一系列復雜的高價值分子。工程生物學與先進電合成之間的協同作用為基于二氧化碳的生物制造的成熟發展提供了明確的路線圖。
電微生物生產的起源是將電解水分解與氧化氫的微生物（HOMs）相結合。早期的努力集中在開發高效的陰極H
2生成非生物催化劑上，通常與野生型化能自養菌（如醋酸菌或
Cupriavidus necator，以前稱為
Ralstonia eutropha）配對使用（
2）。盡管這一以H
2為中心的范式具有基礎性，但它存在一些根本的生物學限制。
首先，產品種類受到內在限制。天然HOMs在生理上傾向于合成有限的代謝物，主要是像聚羥基烷酸（PHAs）這樣的儲存化合物（
2,5,6）。其次，碳通量不佳，因為許多野生型菌株中的天然二氧化碳固定途徑具有較低的催化效率（
7）。第三，由于電化學環境常常會產生活性氧（ROS），細胞存活率會受到影響（
2,8）。
工程生物學為這些挑戰提供了針對性的解決方案。通過重新設計代謝途徑，實現了先進生物燃料和化學品的生物合成（
3）；過表達或優化Calvin–Benson–Bassham（CBB）循環增強了碳同化能力（
7），而異源生產抗氧化劑（如番茄紅素）則提高了對ROS的耐受性（
8）。然而，這些生物學干預措施無法克服H
2本身的固有物理限制，即溶解度低、傳質受限和安全性問題。這些根本性的瓶頸最終促使該領域轉向了其他液態能量載體。
因此，二氧化碳電合成的發展使得電微生物生產轉向了甲酸和甲醇等C
1中間體。這些液態介質顯著緩解了與氣態H
2相關的傳質限制，并與合成生物學的并行進展（包括低成本基因組測序、大規模DNA合成和自動化途徑設計）相一致。在這一轉變中的一個里程碑式發展是工程改造了非天然的工業底盤（如
大腸桿菌），使其能夠通過異源或從頭開始的途徑吸收甲酸或甲醇（
9）。值得注意的是，這些工程菌株的生長動力學和轉化效率往往與天然化能自養菌相當甚至更高（
9）。這些進展標志著電微生物生產的一個轉折點，即合理設計定制的生物“硬件”而非依賴天然氧化氫代謝成為高效利用二氧化碳的主要驅動力。
雖然基于C
1的平臺發展迅速，但它們在能量密度和熱力學優勢方面仍受到限制，不如C
2或多碳中間體。因此，二氧化碳到乙酸的電合成正成為一種有前景的策略，以實現混合生物制造的新效率。作為一種尚未充分探索但極具吸引力的中間體，乙酸相比H
2或C
1化合物具有更強的熱力學驅動力和更簡單的代謝入口（
10）。這一“代謝捷徑”在模型菌株
C. necator中得到了很好的體現。為了生成中心前體乙酰輔酶A（acetyl-CoA），甲酸的轉化需要一個復雜的14步酶促過程；相比之下，乙酸可以直接在一步催化作用下被吸收到乙酰輔酶A池中，然后進入三羧酸（TCA）循環（
5）。
最近關于二氧化碳到PHA合成的研究（
2,4,6）顯示，從H
2和甲酸驅動的系統向乙酸介導的平臺的轉變具有明顯的進化趨勢（
圖1和
表S1）。這一轉變顯著提高了產量和轉化速率，凸顯了基于C
2途徑的優越能量傳遞效率。除了代謝動力學優勢外，以乙酸為中心的電微生物生產還提供了三個戰略優勢：
首先，乙酸在幾乎所有微生物類群中都能被吸收，使得可以使用具有理想代謝特性的多樣化非模式宿主，同時減少了進行大規模基因重編程（如構建完整的二氧化碳固定途徑）所帶來的代謝負擔。其次，乙酸的細胞毒性明顯低于甲酸或甲醇，允許更高的穩態濃度和更好的過程穩定性。第三，乙酸發酵在工業上的長期應用為混合電化學-生物系統的規模化提供了成熟的操作基礎。盡管如此，該領域尚未建立一個同時優化電化學動力學、碳效率和產品選擇性的“黃金標準”平臺。雖然生物體對乙酸的吸收效率很高，但最初的電化學合成仍是一個挑戰。目前的二氧化碳到乙酸的轉化效率通常較低（約為20%
4），遠低于甲酸的約90%的轉化效率。
電微生物生產的發展軌跡從根本上受到電合成和工程生物學共同進化的影響。展望未來，電化學合成的乙酸為連接這兩個領域提供了變革性的機會，作為一種高通量的碳載體，將非生物催化的效率與微生物系統的代謝靈活性結合起來。要實現這一潛力，該領域首先必須解決材料科學中的關鍵問題，其中當務之急是提高乙酸的電化學效率和選擇性。直接從電化學二氧化碳還原中獲得高純度的乙酸流對于降低下游純化成本和避免副產物的抑制作用至關重要。
與這些電化學進展并行的是，工程生物學的前沿在于馴化非模式工業底盤。現有的模式生物（如
C. necator和
E. coli）往往缺乏在電化學環境中的耐受性（
6），特別是高鹽度介質、反應性副產物以及從電極中滲出的金屬離子。克服這些限制需要一個分階段的策略：首先，需要高通量的微生物篩選來識別同時具備電化學耐受性和代謝多樣性的候選菌株；其次，應開發全面的合成生物學工具包，以便為這些耐受性宿主定制“即插即用”的基因模塊。
最終，實現凈零碳、循環經濟的長期愿景需要各領域的協同發展；一個碳中性的生物制造成為全球標準，將建立在電化學“硬件”和生物“軟件”協同設計的協同作用之上。
