科学家们绘制了一种“双环碳固定”途径，以加速特殊细菌的气体发酵

面包师将面团发酵成发酵好的面包。同样，酿酒商发酵小麦和大麦来制作一杯顺滑的麦芽啤酒。作为自然界最重要的面包师和酿酒师，一些微生物可以做得更多。事实上，某些种类的细菌会发酵二氧化碳 (CO 2 ) 气体来选择它们自己的营养物质。这可以用来帮助激发我们的世界。

这种非凡的能力——将 CO 2发酵成化学能——并没有被研究细菌中细微而复杂的化学反应的科学家所忽视。

其中包括国家可再生能源实验室（NREL）研究员熊伟，他说气体发酵细菌为将 CO 2等废气转化为可持续燃料提供了经验。

“CO 2的去除和转化引起了全世界的关注，因为 CO 2是大气中最重要的吸热（温室）气体。固定CO 2的途径是关键，”熊解释说。“我们对在细菌中设计新的 CO 2固定途径特别感兴趣，以帮助它们合成关键的生物燃料前体，例如乙酰辅酶 A。”

乙酰辅酶 A 是制造多种燃料化学品的主要成分，包括脂肪酸、异丙醇和丁醇。正如最近发表在《自然合成》杂志上的一篇论文中所详述的，熊和他的同事已经展示了如何使用气体发酵细菌中的一种新途径来改善燃料前体的生产。

通过这样做，他们增加了使用生物方法在工业规模上捕获和转化 CO 2的可能性。

简单碳核算：C1 + C1 = C2

自然地，细菌中的气体发酵遵循一系列线性反应，科学家们将其称为 Wood-Ljungdahl 途径。它以 1980 年代发现它的 Harland G. Wood 和 Lars G. Ljungdahl 教授的名字命名。简而言之，酶利用附近氢气或一氧化碳气体中的电能去除CO 2中的碳。然后，他们将其中两个单碳原子 (C1) 附加到细菌中已经存在的更大分子上，称为辅酶 A (CoA)。通过将两个碳手柄 (C2) 连接到这个辅助分子上，它们变得更容易进行其他反应。

最后的结果？乙酰辅酶A，一种支持细菌生长的能量和碳密度更高的分子。它也是制造有价值的气候友好型生物燃料的便捷前体。

然而，尽管它很聪明，但仅靠 Wood-Ljungdahl 路径可能不足以用于工业用途。此外，它看似简单的数学运算（C1 + C1 = C2）实际上是令人眼花缭乱的化学反应的结果。

“由于酶的复杂性，设计这条提高效率的途径具有挑战性，”

为了避免直接改进 Wood-Ljungdahl 途径，研究人员着手构思一种全新的制造乙酰辅酶 A 的途径。使用 NREL 开发的称为 PathParser 的计算机模型和最先进的遗传工具，该团队在一种称为Clostridium ljungdahlii的气体发酵细菌中发明了一种新的 CO 2固定途径。

最后，数学结果是一样的：C1 + C1 = C2。

但要到达那里，它包含了一对平行反应——一辆碳固定自行车，两个轮子一起工作以捕获 CO 2， 使用一系列化学齿轮对其进行转化，并将其重定向以推动乙酰辅酶 A 的产生（如图页面顶部的图）。如果添加到气体发酵细菌中，该途径可以补充 Wood-Ljungdahl 途径，以更有效地产生乙酰辅酶 A。

我们能否通过发酵方式实现碳中和？

今天不乏废气，而且很可能在未来很长一段时间内仍然如此。重工业每年释放数百万吨 CO 2 ——这是提炼生物燃料、炼钢或搅拌混凝土的副产品。科学家们正在探索在 CO 2到达大气层之前捕获和储存——最好还是使用——CO 2的技术。

“在全球变暖和气候变化的背景下，科学家们从微生物代谢中寻求新的解决方案，以将 CO 2转化为燃料和化学品，”熊说。“气体发酵细菌实际上可以固定 CO 2，并代表了一种满足我们能源和环境需求的负碳方式。”

有谁比能够轻松固定 CO 2数百万年的气体发酵细菌更值得学习呢？