人工光合作用新突破：科学家用阳光和空气“种”出活细菌
未来，发酵罐里可能不再需要糖了。
在大多数人印象中，发酵工业往往就是在大罐子里泡着糖水养酵母或细菌。现在，英国伦敦玛丽女王大学、剑桥大学 与 以色列魏茨曼科学研究所团队的一项研究证明，工程大肠杆菌能够在不添加任何糖类或有机碳源的条件下，仅依靠太阳能驱动产生的甲酸盐和二氧化碳（CO₂ ） 完成生长。
研究人员搭建了一套将有机光伏、酶催化与工程大肠杆菌整合在同一反应器、以甲酸 盐 为能量中介的太阳能驱动 CO₂ 转化生物质平台，通过结合“半人造叶片”和经过长期进化的工程大肠杆菌，用阳光和水将二氧化碳直接转化为活体细菌生物质。
在不引入植物、藻类或光合细菌的前提下，该系统实现了类似自然光合作用的碳固定过程，且不需要额外添加任何糖类或其他有机碳源。
具体来说，这种装置在有机光伏驱动下，通过甲酸脱氢酶（FDH）催化将二氧化碳还原为甲酸盐，光阳极同步氧化水释放氧气，工程化大肠杆菌在同一液体中“吃掉”甲酸盐作为能源，驱动细菌将外源二氧化碳固定实现生长。
从本质上来看，整个过程是模拟自然界的光合作用，而不同之处在于，其将植物体内的复杂生化反应拆解到体外，并用工程手段进行重新组合。值得关注的是， 经过 168 天筛选和 27 轮持续进化，菌株达到稳定期 OD₆₀₀≈0.2 所需的时间从 13 天缩短到仅需 2 天。
图丨苏林（左一）与 Erwin Reisner 教授在实验室（来源：受访者） 该论文第一作者、伦敦玛丽女王大学讲师苏林博士对 DeepTech 表示：“这项研究首次在同一容器内，打通了从光能到细菌生物质生成的完整链条。这就像在实验室里建了人工叶绿体，不仅解决了自然光合作用的低效率瓶颈，还为合成生物学定向生产化学品提供了一种可编程平台。”
相关论文以《利用光电化学实现自养型大肠杆菌的太阳能驱动生长》（Towards solar-powered growth of autotrophic Escherichia coli using photoelectrochemistry）为题发表在 JACS 上 [1]。苏林博士和剑桥大学 Celine Wing See Yeung 博士是共同第一作者，Erwin Reisner 教授担任通讯作者。
图丨相关论文（来源： JACS ） 植物和浮游植物每年通过叶绿素、阳光和水可固定约 1,000 亿吨碳。在可再生化学领域，一个长期的难题是，该过程能否在不依赖燃烧化石燃料的条件下，用人造组件搭建出合成版本。
太阳能利用通常分为两类路径：纯化学路径（利用太阳能驱动电催化或光催化合成燃料分子）和纯生物路径（利用蓝藻等光合生物固定二氧化碳）。两者各有长短：化学路径具备较高的太阳能转化效率，但贵金属催化剂成本高，且难以一步合成多碳或结构复杂的产物；生物路径擅长合成复杂代谢产物，但太阳能转化效率较低，产物谱也受限于本身的代谢能力。
半人工光合作用（semi-artificial photosynthesis）正是把二者结合起来的策略：化学路径负责把太阳能高效转化为甲酸（盐）、乙酸（盐）等简单中间体，再把这些中间体作为底物提供给生物系统，合成更复杂的目标产物。
然而，其落地面临一个核心挑战：化学催化过程与生物合成过程往往不能在同一个反应器中同时运转。化学侧所需的高电位、强电解液或金属离子环境，常会损伤细菌或抑制其代谢。
那么，化学催化与生物代谢究竟能不能在同一种液体里同时工作？研究团队希望，通过这项研究找到这个问题的答案。
实现这个目标看似简单，但实际操作起来却充满挑战：有的系统用了含有毒性金属离子的电极，细菌容易被毒死；而 有的系统则需要添加额外的有机物才能维持细菌生长，无法做到以 CO₂ 作为唯一碳源 ；还有的系统能量转换效率过低，无法支撑连续培养的任务。
图丨自然光合作用与工程化光合作用（来源： JACS ） 总体来说，必须同时解决的三个问题是：速率匹配、化学环境对生物无毒以及所有催化反应必须在同一种液体中发生。
研究人员设想了一个新的方案：用电化学装置充当“人工叶绿体 ” ，让电极的一面氧化水、提供电子，另一面则用这些电子把二氧化碳还原成一种小分子有机物（甲酸盐）。工程化大肠杆菌在同一液相环境中摄取甲酸盐，在细胞内将其氧化回二氧化碳以释放还原力（电子），再通过卡尔文循环驱动外源二氧化碳固定成生物质。
苏林解释说道：“水氧化产生的氧气之所以能够在同一反应器里被细菌消耗掉，原因在于工程大肠杆菌需要氧气作为呼吸链末端的电子受体。”
这一流程对应的是天然光合作用：植物的光反应制造三磷酸腺苷（ATP）和还原型辅酶Ⅱ（NADPH）并释放氧气；暗反应利用这部分能量，通过卡尔文循环把二氧化碳固定成糖。在研究团队开发的装置中，光反应在半导体与酶的共同作用下完成，暗反应则由大肠杆菌完成。
为什么选甲酸盐作为化学侧与生物侧的“接力棒 ” ？这一选择背后有具体的考量。
与氢气（储运困难、易燃易爆 ） 、一氧化碳（毒性高、水溶性差 ） 或乙酸盐（电化学合成需要多电子转移、效率较低 ）相比， 甲酸盐具有几个独特优势：它是常温下的液体，易于在水相中储存和运输；CO₂ 还原成甲酸盐只需两个电子，是热力学上最容易实现的 CO₂ 还原产物之一；同时，甲酸盐在细胞内既可被氧化释放还原力（电子 ） 供能，氧化产物又是 CO₂，可重新进入细菌的碳固定循环，实现碳的内部闭环。基于这些优势，以甲酸盐为枢纽构建可再生化学品生产体系的理念，在文献中被称为“甲酸盐生物经济 ” （formate bioeconomy ） 。
在这项研究中，研究团队进行了递进式验证。他们面临的第一个挑战是：细菌“吃 ” 甲酸 盐 的速度太慢了。研究人员选用大肠杆菌作为底盘生物，尽管这是一种实验室中常用的模式生物基因操作工具成熟，而且工业化生产经验丰富，但野生型的大肠杆菌并不擅长利用甲酸 盐 。
此前， 魏茨曼科学研究所 Ron Milo 教授课题组基于代谢工程改造，构建出可利用甲酸 盐 和二氧化碳生长的自养型大肠杆菌，相关论文分别发表于 Cell （2019）与 eLife （2024）。但改造菌的生长是一个漫长的过程，需要经历两周才能生长到可见的浓度。
为了让改造菌实现高效生存，研究人员在 Milo 课题组前期菌株的基础上进行了适应性实验室进化（ALE）实验。他们将培养物反复稀释到新鲜培养基中，让自然选择来完成工作。
经过共 168 天、 27 次连续传代，分离到一株进化后的菌株在 2 天内达到了与此前 13 天同样的密度（OD₆₀₀ ≈ 0.2），进而在细菌方面解决了速率匹配的问题。