昔时，发酵罐里可能不再需要糖了。

在大大皆东谈主印象中，发酵工业时常即是在大罐子里泡着糖水养酵母或细菌。当今，英国伦敦玛丽女王大学、剑桥大学与以色列魏茨曼科学盘问所团队的一项盘问评释，工程大肠杆菌或者在不添加任何糖类或有机碳源的条目下，仅依靠太阳能驱动产生的甲酸盐和二氧化碳（CO₂）完成助长。

盘问东谈主员搭建了一套将有机光伏、酶催化与工程大肠杆菌整合在归拢反映器、以甲酸盐为能量中介的太阳能驱动 CO₂ 转化生物资平台，通过连合“半东谈主造叶片”和经过长久进化的工程大肠杆菌，用阳光和水将二氧化碳平直转化为活体细菌生物资。

在不引入植物、藻类或光合细菌的前提下，该系统结束了访佛当然光和谐用的碳固定过程，且不需要特等添加任何糖类或其他有机碳源。

具体来说，这种装配在有机光伏驱动下，通过甲酸脱氢酶（FDH）催化将二氧化碳归附为甲酸盐，光阳极同步氧化水开释氧气，工程化大肠杆菌在归拢液体中“吃掉”甲酸盐四肢能源，驱动细菌将外源二氧化碳固定结束助长。

从试验上来看，通盘过程是模拟当然界的光和谐用，而不同之处在于，其将植物体内的复杂生化反映拆解到体外，并用工程妙技进行再行组合。值得珍视的是，经过 168 天筛选和 27 轮握续进化，菌株达到稳按时 OD₆₀₀≈0.2 所需的时期从 13 天镌汰到仅需 2 天。

图丨苏林（左一）与 Erwin Reisner 讲授在实验室（开始：受访者）

该论文第一作家、伦敦玛丽女王大学讲师苏林博士对 DeepTech 示意：“这项盘问初度在归拢容器内，买通了从光能到细菌生物资生成的完好链条。这就像在实验室里建了东谈主工叶绿体，不仅科罚了当然光和谐用的低效果瓶颈，还为合成生物学定向坐蓐化学品提供了一种可编程平台。”

磋磨论文以《哄骗光电化学结束自养型大肠杆菌的太阳能驱动助长》（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 博士是共同第一作家，Erwin Reisner 讲授担任通信作家。

图丨磋磨论文（开始：JACS）

植物和浮游植物每年通过叶绿素、阳光和水可固联盟 1，000 亿吨碳。在可再生化学领域，一个长久的难题是，该过程能否在不依赖放手化石燃料的条目下，用东谈主造组件搭建出合成版块。

太阳能哄骗时常辰为两类旅途：纯化学旅途（哄骗太阳能驱动电催化或光催化合成燃料分子）和纯生物旅途（哄骗蓝藻等光合生物固定二氧化碳）。两者各有犀利：化学旅途具备较高的太阳能转化效果，但贵金属催化剂资本高，且难以一步合成多碳或结构复杂的产品；生物旅途擅长合成复杂代谢产品，但太阳能转化效果较低，产品谱也受限于本人的代谢才气。

半东谈主工光和谐用（semi-artificial photosynthesis）恰是把二者连合起来的战略：化学旅途郑重把太阳能高效转化为甲酸（盐）、乙酸（盐）等浅陋中间体，再把这些中间体四肢底物提供给生物系统，合成更复杂的指标产品。

关联词，其落大地临一个中枢挑战：化学催化过程与生物合成过程时常不可在归拢个反映器中同期运转。化学侧所需的高电位、强电解液或金属离子环境，常会毁伤细菌或扼制其代谢。

那么，化学催化与生物代谢究竟能不可在归拢种液体里同期责任？盘问团队但愿，通过这项盘问找到这个问题的谜底。

结束这个指标看似浅陋，但试验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特等的有机物才能保管细菌助长，无法作念到以 CO₂ 四肢独一碳源；还有的系统能量交流效果过低，无法复旧讨好培养的任务。

图丨当然光和谐用与工程化光和谐用（开始：JACS）

总体来说，必须同期科罚的三个问题是：速率匹配、化学环境对生物无毒以及扫数催化反映必须在归拢种液体中发生。

盘问东谈主员设计了一个新的决策：用电化学装配充任“东谈主工叶绿体”，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归附成一种小分子有机物（甲酸盐）。工程化大肠杆菌在归拢液相环境中摄取甲酸盐，在细胞内将其氧化回二氧化碳以开释归附力（电子），再通过卡尔文轮回驱动外源二氧化碳固定成生物资。

苏林解释说谈：“水氧化产生的氧气之是以或者在归拢反映器里被细菌铺张掉，原因在于工程大肠杆菌需要氧气四肢呼吸链结尾的电子受体。”

这也曾由对应的是自然光和谐用：植物的光反映制造三磷酸腺苷（ATP）和归附型辅酶Ⅱ（NADPH）并开释氧气；暗反映哄骗这部分能量，通过卡尔文轮回把二氧化碳固定成糖。在盘问团队开发的装配中，光反映在半导体与酶的共同作用下完成，暗反映则由大肠杆菌完成。

为什么选甲酸盐四肢化学侧与生物侧的“致力于棒”？这一遴选背后有具体的考量。

与氢气（储运艰巨、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化、效果较低）比拟，甲酸盐具有几个私有上风：它是常温下的液体，易于在水相中储存和运输；CO₂ 归附成甲酸盐只需两个电子，是热力学上最容易结束的 CO₂ 归附产品之一；同期，甲酸盐在细胞内既可被氧化开释归附力（电子）供能，氧化产品又是 CO₂，可再行参加细菌的碳固定轮回，结束碳的里面闭环。基于这些上风，以甲酸盐为要害构建可再生化学品坐蓐体系的理念，在文件中被称为“甲酸盐生物经济”（formate bioeconomy）。

在这项盘问中，盘问团队进行了递进式考证。他们靠近的第一个挑战是：细菌“吃”甲酸盐的速率太慢了。盘问东谈主员选用大肠杆菌四肢底盘生物，尽管这是一种实验室中常用的口头生物基因操作用具熟悉，何况工业化坐蓐教学丰富，但野生型的大肠杆菌并不擅长哄骗甲酸盐。

此前，魏茨曼科学盘问所 Ron Milo 教讲课题组基于代谢工程翻新，构建出可哄骗甲酸盐和二氧化碳助长的自养型大肠杆菌，磋磨论文离别发表于 Cell（2019）与 eLife（2024）。但翻新菌的助长是一个漫长的过程，开云2026世界杯中国官网需要阅历两周才能助长到可见的浓度。

为了让翻新菌结束高效活命，盘问东谈主员在 Milo 课题组前期菌株的基础上进行了符合性实验室进化（ALE）实验。他们将培养物反复稀释到极新培养基中，让当然遴选来完成责任。

经过共 168 天、 27 次讨好传代，分离到一株进化后的菌株在 2 天内达到了与此前 13 天相似的密度（OD₆₀₀ ≈ 0.2），进而在细菌方面科罚了速率匹配的问题。

图丨甲酸盐上加快的自养助长（开始：JACS）

基因组测序数据深远，进化后的菌株在 pitA 基因上出现了一个单碱基插入突变，该基因编码的是低亲和力的无机磷酸盐转运卵白。

当盘问东谈主员通过 P1 噬菌体介导的转导将该突变东谈主为征战且归后，截止深远，回应株的助长速率权臣低于进化株。

苏林指出，这证实该突变对甲酸盐哄骗效果的提高有实质性孝顺。“据咱们规划，pitA 失活可能有助于保管细胞内的质子能源均衡，在甲酸盐代谢导致培养液碱化的条目下为细菌争取到了更好的活命上风。”

科罚了快速“吃”甲酸盐菌株的挑战，但新的难题随之而来：翻新后的菌株能否平直哄骗电化学反映生成的甲酸盐？

盘问团队在钛箔上制备了一种具有层级多孔结构的二氧化钛（TiO₂）电极，并在电极上固定了两种酶：一种是来自硫酸盐归附菌的甲酸脱氢酶（FDH），这种酶能将二氧化碳归附成甲酸盐，何况耐氧性好，无需残酷的厌氧条目；另一种则来自碳酸酐酶（CA），它的作用是通过加快二氧化碳的水合反映，退避电极名义由于局部碱化而导致甲酸脱氢酶失活。

在小幅外加电位（–0.4V vs. 可逆氢电极）下，这个阴极在 10 小时内以 98±1% 的法拉第效果握续责任。也即是说，参加电极的每个电子基本上皆以甲酸盐的体式输出，且险些不产生副反映。

在 5mL 缓冲液里蓄积了约 25mmol/L 的甲酸盐，为结束细菌培养提供支握。当盘问东谈主员将电解后的液体转入烧瓶、补上微量元素，再接种进化后的大肠杆菌时，截止深远，细胞或者在 6 天内矫捷助长，并铺张了险些生成的一谈甲酸盐。

图丨盘问东谈主员将有机光伏、酶催化与工程大肠杆菌整合在归拢反映器中（开始：受访者）

但问题还莫得驱逐。到这一步，电能仍由外接电源提供。要确凿复现当然光和谐用的逻辑，必须把这部分电力替换为阳光。为此，盘问团队选用全有机的半导体材料构建光伏器件，以退避传统光伏器件中可能含有的重金属离子毒性。

这种有机光伏器件在光照下或者提供约 1 伏的开路电压，足以驱动甲酸脱氢酶责任。盘问东谈主员将酶修饰电极与有机光伏器件延续合，酿成了一个生物光阴极。

在模拟太阳光照耀下，该光阴极在联系于可逆氢电极 0.6 伏的责任电位下，产生了约 3 毫安每平方厘米的光电流，讨好初始 10 小时产生了 338 微摩尔每平方厘米的甲酸盐，法拉第效果仍可保握在约 97%。

通过这批太阳能制造的甲酸盐培养进化后的大肠杆菌，细菌结束了庞大助长 3 天，最终浓度与此前用电解实验的甲酸盐培养的情况极端。

图丨生物电化学甲酸盐合成与哄骗（开始：JACS）

至此，盘问团队已离别考证光驱动产甲酸盐和细菌吃甲酸盐助长两个模样。但是，若何将二者装进归拢个容器中，让它同期进行呢？

盘问东谈主员将集成版的装配称为“半东谈主造叶片”，不需要外加电压，惟有光照就能责任。通盘装配平直浸泡在含有大肠杆菌的培养液里。光照下，阴极产生甲酸盐，阳极产生氧气。

甲酸盐被细菌吃掉用于助长，氧气则被细菌用于呼吸。这套系统在讨好 20 小时的光照下，产生约 79 微摩尔每平方厘米的甲酸盐和 26 微摩尔每平方厘米的氧气。

详细来看，这项盘问呈现出一条从阳光、水和二氧化碳到细菌生物资讨好交流的完好逻辑链条：用符合性进化让大肠杆菌得到快速哄骗甲酸盐的才气，然后用酶修饰电极结束了从二氧化碳到甲酸盐的高效电化学和光化学转化，最终将二者整合在归拢反映器中。

这项盘问展示了一种新的可能性，用工程细菌和光电器件搭“东谈主工叶绿体”，将二氧化碳变成有效的物资。需要看到的是，现阶段，这套系统也靠近一系列问题，举例氧气经管尚未矫捷、长久初始的轮回性能有待考证，以及进一步在更大规模的反映器中进行考证。咫尺装配的讨好初始时期在 10–20 小时量级，距离工业应用所需的数百乃至数千小时长程矫捷性还有较大差距。

但这项盘问的更遑急的价值在于结束了办法考证：仅以阳光、二氧化碳和水为底物，而不依赖食粮（比如玉米作念的葡萄糖）和复杂的有机养分，就能培养出微生物生物资。

咫尺，苏林正在伦敦玛丽女王大学新成就的放心课题组中赓续这一标的的探索。该课题组延续了他在剑桥进行博后盘问时期的生物杂化系统（biohybrid）想路，聚焦于工程生物与合成材料之间的电子传递界面，并尝试将这一平台从 CO₂ 归附拓展到氮气（N₂）固定、塑料降解等更具挑战性的反映。“宽容对生物–材料界面感趣味的盘问东谈主员加入咱们课题组或开展和谐。”苏林说。

昔时，要是该平台或者与平直空气捕集技艺耦合并结束规模化放大，有可能结束在太阳能驱动下，平直“种”出微生物卵白、化工原料甚而燃料。

参考贵府：

1.https://doi.org/10.1021/jacs.6c03677

运营/排版：何晨龙

注：封面/首图由 AI 扶植生成开云世界杯官网(中国)