從CO2到有機物——碳中和的微藻綠色生物制造

孫中亮，陳輝，王強

（河南大學省部共建作物逆境適應與改良國家重點實驗室，河南 開封 475004）

隨著世界經濟的發展和人口的不斷增多，能源（石油、煤炭、天然氣等）需求量大幅增加，導致非可再生資源日益減少。傳統能源燃燒產生的CO2是導致全球溫室效應的主要原因之一，產生的其他污染物如SOx、NOx、粉塵等是造成生態環境惡化的主要元兇。2022年4月，國際能源署（International Energy Agency，IEA）發布Global Energy Review 2021［1］，數 據表 明，自1990年以來，全球二氧化碳排放持續增長［圖1（a）］，隨著全球經濟從新冠疫情中逐漸復蘇，2021年全球CO2排放量達到363億噸，創歷史新高，比2020年增加6%［圖1（b）］。這一方面說明當前溫室氣體減排壓力巨大，另一方面也表明國際社會一致主張強化的氣候變化應對措施尚不夠完善。因此，改進生產方式、開發清潔的可再生能源、減少碳排放已成為當前產學研界關注的熱點。

圖1 1990—2021年間全球CO2排放情況Fig.1 The Global CO2 emissions from 1990 to 2021

目前，固碳的方法主要有物理封存、化學轉化和生物固定［2-4］。生物固定是利用植物的光合作用，將CO2轉化為碳水化合物，以有機碳的形式固定在植物體內或土壤中，被認為是緩解全球溫室效應最具前景的方法［5-6］。在自然界中，微藻是一類單細胞或簡單多細胞的光合微生物，主要由藍藻、綠藻和硅藻等種類組成，廣泛分布在淡水和海洋系統中。微藻以不到高等植物1%的生物量為地球提供了超過50%的初級生產力和氧氣，是光合效率最高的生物類群［7］。又因為微藻具有利用光能固定CO2并通過各種代謝途徑快速合成蛋白質、核酸、脂質等生物大分子和各種次級代謝產物的優勢，而備受關注［8-10］。

21世紀初，工程學思想策略與現代生物學、系統科學及合成科學相互融合，發展成為“合成生物學”，采用自下而上的策略，重編、改造天然的或設計合成新的生物體系，以揭示生物規律并利用生物規律合成生物產品［8］。由此開啟了以生物體機能進行大規模物質加工與物質轉化、為社會發展提供工業商品的生物制造新行業。微藻可以利用太陽能固定CO2并轉化為一系列有機物，其作為合成生物物質的細胞工廠具有眾多生物學優點，例如比植物細胞的結構簡單且基因可操作性強、具有成熟的遺傳操作系統、能夠實現基因組大片段敲除和轉入并穩定遺傳、能夠通過調整合成路徑抑制與生產無關的合成途徑等［9，11-13］。此外，微藻還具有生長速率快，環境適應能力強，能夠直接利用廢水和工業煙氣等工農業廢棄物，能夠在沿海灘涂、鹽堿地等地培養從而不與農作物爭地等諸多工程學優勢，是一種經濟可行、環境友好和可持續發展的生物固碳技術［10，14-15］。

當前，能源和大宗化工產品的生產制造主要依賴于石化煉制，面臨著生產安全風險高、環保壓力大、油氣資源供需矛盾等挑戰。大力發展基于微藻高效轉化CO2生產有機物的生物制造產業，有望解決當前面臨的能源危機和化工產品不可持續生產的問題，同時達到緩解溫室效應的效果。近年來，微藻作為細胞工廠高效轉化CO2生產有機物得到越來越多的關注。本文將對平臺化合物、生物能源、高附加值化合物3類產品的合成生物學及生物制造的研究進展與技術進步進行總結與分析，同時展望其對雙碳背景下合成生物學發展帶來的契機以及光驅動有機物生產的前景。

平臺化合物是指可作為生產精細和特殊功能化學產品的單體物質，如丙二醇、異戊二烯、3-羥基丙氨酸等。據估計，全球每年以石油、煤炭和天然氣為基礎原料生產的平臺化合物約3.3億噸［16］。由于化學合成平臺化合物的方法存在能耗高、步驟繁多以及使用有毒催化劑等問題，再加上石化資源日益減少，人們開始更多關注可再生的生物合成路徑。2004年，美國能源部（DOE）確定了12種可從生物質中獲得的化學單體物質作為潛在的平臺化合物［17］。隨著生物合成技術的成熟，生物基平臺化合物市場在2021—2031年間的復合年增長率預計將達到8%，市場銷售額預計將達到230億美元［18］。微藻可以利用太陽能，在自養條件下轉化CO2合成某些平臺化合物，是生物基平臺化合物的重要來源。

1.1 丙二醇

丙二醇是生產不飽和聚酯、環氧樹脂、聚氨酯樹脂等化學品的重要原料，是一類C3平臺化合物，在食品、醫藥和美妝等領域應用廣泛［19-21］。目前，制備丙二醇的方法主要是催化轉化石油行業衍生物，與化學催化法相比，生物法具有條件溫和、環境污染小等優點［22］。利用光合作用，藍藻可以直接轉化太陽能和CO2合成所需的化合物，同時借助合成生物學技術，對藍藻的合成途徑進行改造，可以實現CO2到丙二醇的合成。Hirokawa等［23］在S.elongatusPCC7942中導入甘油合成及轉化生產1，3-丙二醇的相關酶，實現了從CO2到1，3-丙二醇的光合生產全過程，結合培養條件優化，經過14天1，3-丙二醇的滴度達到288 mg/L。應用化學計量代謝模型預測與計算機模擬等合成生物學技術策略，該團隊［24-25］對1，3-丙二醇合成途徑進一步改造，篩選獲得的菌株合成1，3-丙二醇的滴度達到了1220 mg/L。為了解決合成途徑中關鍵作用酶甘油脫水酶的氧敏感不相容的問題，Liu等［26］提出藍藻異形胞自然分化的空間隔離策略，選用兼性厭氧菌（Klebsiella pneumoniae）和嚴格厭氧菌（Clostridium butyricum）基因來源的1，3-丙二醇生產基因與啟動子串聯排列，組裝成1，3-丙二醇光合生產模塊，通過同源重組整合到魚腥藻PCC7120菌株中，產量提高了1.7倍。

Li等［27］報道了將甲基乙二醛合酶、甘油脫氫酶和乙醛還原酶導入藍藻S.elongatusPCC7942中以實現1，2-丙二醇生產，同時將1，2-丙二醇的合成途徑設計為依賴于NADPH的途徑，減少中間產物羥基丙酮的積累，提高1，2-丙二醇的產量至150 mg/L。研究發現，1，2-丙二醇中約1/4的碳來源于糖原，其余的碳來源于卡爾文循環中的CO2，David等［28］將mgsA、yqhD、adh導入Synechocystissp.PCC6803以實現1，2-丙二醇的生產，通過培養條件優化1，2-丙二醇的含量在細胞穩定期可達到1 g/L。

1.2 異戊二烯

異戊二烯是生產橡膠和膠黏劑的關鍵中間體，也是化學工業中常用的單體物質。傳統的生產方法是從原油冶煉中獲得。2013年Matos等［29］模擬10 t級生產規模對比了光合自養微藻和發酵異養細菌兩種可再生的異戊二烯生產方法，指出光合微藻自養直接轉化CO2合成異戊二烯的理論潛力更大。

Gao等［30］在動態通量分析和代謝流分析的基礎上，對比了甲基赤蘚糖醇磷酸（methylerythritol phosphate，MEP）途徑與甲基戊酸途徑的碳轉化率和前體驅動力，并最終選擇在藍藻細胞中設計MEP途徑以生產異戊二烯，大幅度提升了異戊二烯產量（1.2 g/L）。此后，從減輕異戊二烯合酶與藻膽蛋白的β亞基融合后表達障礙以及改進反應底物二甲烯丙基焦磷酸等方面入手，Chaves等［31］篩選出了最佳的異戊二烯轉化體，進一步提高了異戊二烯的產量，達到了12.3 mg/g。Pade等［32］從工程學角度優化了重組工程藍藻的培養條件，發現低濃度的NaCl有助于異戊二烯產量的提高。

除丙二醇和異戊二烯外，作為能夠將CO2轉化為有機物的天然宿主，微藻還可進行烯烴、羧酸以及其他醇類如2，3-丁二醇等平臺化合物的生物學合成（表1）。鑒于太陽能和CO2的可再生特性，設計與構建藍藻細胞工廠進行平臺化合物質的生產被認為是未來具備巨大應用潛力的一種可持續生產模式。

表1 藍藻細胞工廠生產平臺化合物Tab.1 Production of platform compound by cyanobacteria cell factory

生物能源可開發的種類眾多且來源廣泛，在眾多生產生物能源的原料中，微藻由于光合作用效率高、生長速度快、油脂含量高、不占用耕地、可以利用廢水廢氣培養以及可以全年生產等優勢，使其成為第三代生物能源的典型代表［43］。微藻生物能源有多種形式，例如固態的生物炭，液態的生物柴油、生物原油、生物乙醇，氣態的生物氫、生物燃氣、合成氣等［10，44-45］。

2.1 生物柴油

微藻細胞合成油脂后，經分離萃取、甲酯化等步驟，轉化成可市售的生物柴油，其中影響其經濟性的關鍵因素是細胞中油脂的含量［46］。微藻產生的油脂含量因藻種不同而存在差異，但是通過不同的途徑調節脂質代謝，可以改變或提高油脂產量，如調節營養元素供給和周圍環境條件（pH、溫度和光照等）［47-48］，引入外源植物激素等。然而，利用上述條件誘導培養是耗時的，有時會導致微藻生物量產量降低，且微藻細胞對誘導條件做出響應的機制還不清楚，怎樣平衡生物量生長與油脂含量積累的協調關系仍是未來需要關注的方向。

微藻組學與信號傳導技術的發展以及相關生物合成途徑的解析加強了對藻細胞基因調控、代謝物變化、蛋白質活性和相互作用的理解［49］，進而推動了利用合成生物學技術手段提高微藻油脂生產的研究進程，針對基因元件和代謝途徑的改造優化已經被用于提高微藻油脂的產量（表2），主要策略是通過上調或下調藻細胞中編碼特定酶的基因的表達，構建轉基因微藻藻株，促進不同藻種中碳水化合物或油脂的積累?；蚬こ?、代謝工程和合成生物學等方法的介入將促進微藻作為一個更加優質的生物柴油載體的發展，并促進生物柴油的工業化和商業化。

表2 基因工程和代謝工程方法用于提高微藻油脂產量Tab.2 Genetic engineering and metabolic engineering methods are used to improve the yield of microalgae lipid

2.2 生物氫

微藻細胞產氫技術主要包括發酵產氫（光發酵產氫、暗發酵產氫和光暗聯合發酵產氫）和光合作用產氫（直接生物光解產氫和間接生物光解產氫）［59］。不同培養工藝對氫產量有顯著影響。此外，還有一些工程方法可以提高生物產氫效率，如微藻-細菌耦合生物產氫、添加亞硫酸氫鈉、多藻種混合培養、固定化微藻細胞以提高光照利用率和改進光生物反應器等［60-61］。

利用合成生物學技術，可以通過有針對性地修改或設計相關的酶來構建工程菌株顯著提高藻細胞中氫的產量和產率（表3）。氧氣能抑制氫化酶基因的表達進而限制氫化酶的活性，改變氫化酶的結構可以增加氫化酶對氧的耐受性，研究人員通過突變特定的氨基酸，改變了氫化酶表面的氣體結合位點，阻止與氧氣結合從而保護具有催化功能的活性中心［68］。研究人員還設計了一種復合酶，將氫化酶與具有鐵還原功能的蛋白融合在一起，從而將電子從鐵氧還蛋白轉移到氫化酶，提高了生物產氫率［69］。此外，抑制RuBisCO以減弱Calvin-Benson循環也有利于電子向氫化酶轉移。RuBisCO由葉綠體基因編碼的大亞基和細胞核基因編碼的小亞基組成，其大亞基突變體和小亞基突變體的生物氫產率均高于野生株在硫缺乏時的產氫效率［70］。高效率獲取光能是光自養條件下生物產氫的第1步，捕光天線尺寸的減小可以減少高光抑制，提高捕光效率和光能利用率，從而增加生物氫產量，生物氫產率可以達到野生株的4～8倍［71］。

表3 提高微藻產氫率的多種基因工程方法Tab.3 Various genetic engineering methods for improving hydrogen production rate of microalgae

如前所述，氧氣能抑制氫化酶活性，如果能隔絕氧氣，氫化酶的活性就能得到維持和增強，進而使生物氫產量增加（圖2）?；诤铣缮飳W技術，我們通過在E.coli中異源表達一系列編碼羧酶體外殼蛋白與外殼結合蛋白的基因，成功獲得結構完整且穩定的羧酶體外殼，同時篩選到可介導外源蛋白定位至羧酶體殼內的靶向定位肽［72］。隨后運用該靶向定位肽介導氧氣敏感型［FeFe］氫酶及其電子傳遞相關蛋白定位至羧酶體殼內，成功構建出結構穩定且功能完整的納米級產氫羧酶體，并證實羧酶體殼內的低氧微環境可顯著提升氫酶的催化效率。該研究在提供創新型生物制氫方案的同時，為后續進一步利用微藻構建產氫細胞工廠奠定了研究基礎。

圖2 微藻產氫體系的構建Fig.2 Schematic of structure and working mode of the Shell-HydA nanoreactor(Our study provides innovative bio-hydrogen production strategy and new insights into the shelf-assembly of carboxysome and selective permeability of carboxysome shell as well,and paves the way for engineering carboxysome shell-based nanoreactors to recruit specific enzymes for diverse catalytic reactions)

盡管針對提高微藻生物產氫效率的研究已經有很多，但是目前生物氫生產水平仍不足以工業化和商業化。如何將生物學方法和工程學手段相結合，有效提高微藻生物產氫效率，仍需要進一步探索。

2.3 生物乙醇

利用微藻制備生物乙醇的方法有兩種：其一是微藻生物質提供高含量的碳水化合物，在釀酒酵母的發酵作用下產生乙醇；
其二是微藻細胞直接生產乙醇。在第一類利用微藻生產乙醇的途徑中，獲取高含量碳水化合物的藻株對制備生物乙醇具有重要意義。由于藻細胞中的碳水化合物是乙醇最直接的轉化原料，而碳水化合物的積累通常發生在對細胞生長不利的環境下，例如缺氮、缺磷、缺硫等，這一定程度上限制了微藻生物量的積累，不利于提高乙醇產率［73］。相比于微藻合成生物學技術提高碳水化合物（如淀粉）含量用于乙醇發酵而言，構建微藻細胞直接生產乙醇的代謝途徑，是近年來得到廣泛關注的生物乙醇生產模式［74］。

Chochois等［75］采用電轉化方法在萊茵衣藻中插入外來基因引起突變，建立了大型的突變文庫，以有效篩選到高淀粉含量的藻株，有利于后續的乙醇發酵。相比而言，利用微藻細胞直接合成乙醇更具有開發價值。但是乙醇并不是微藻的天然代謝產物，構建能夠合成乙醇的微藻細胞工廠需要導入外源乙醇合成途徑?，F階段，所有開發的光合細胞工廠中乙醇合成途徑都基于丙酮酸脫羧酶和乙醇脫氫酶的催化作用［74］。丙酮酸脫羧酶以代謝物丙酮酸為底物，催化脫羧反應生成乙醛，乙醇脫氫酶以NADPH或NADH為輔因子，將乙醛還原為乙醇。以藍藻為底盤藻株開發合成乙醇的細胞工廠時，普遍使用來自運動發酵單胞菌Zymomonas mobilis中 的PdcZM-AdhIIZM途徑，該途徑也普遍應用于其他微生物乙醇合成細胞工廠的構建［76］。Algenol公司通過在藍藻中替換來自棕櫚發酵細菌Zymobacter palmae的丙酮酸脫羧酶基因pdcZP（一種比運動發酵單胞菌來源的pdcZM更高效的丙酮酸脫羧酶），實現了乙醇產量10%～20%的提高，進而將slr1192基因替代adhIIZM基因，并采用銅離子誘導型啟動子PziaA驅動pdczpslr1192的表達，30 d乙醇產量達到7.1 g/L［77］。美國Joule公司在聚球藻PCC7002中引入1個pdcZM基因和2個不同來源的adh基因構建細胞工廠，進而又敲除硫辛酸合成途徑，工程藻株13 d乙醇產量為5.62 g/L［78-79］。

乙醇是最早以合成生物學方法實現光驅固碳的生物燃料產品，但是基于微藻底盤合成的相關技術距離真正的系統化、規劃化、產業化應用仍然有相當長的路途。

高附加值化合物通常是指動物、植物或微生物的次級代謝產物，常被用作化妝品、食品添加劑、藥品以及保健品等，具有較高的經濟價值。藻類中高附加值化合物主要包括碳水化合物、生物堿、類胡蘿卜素、萜類以及類固醇激素等［80］。隨著合成生物學的發展，通過引入外源基因等方法重新設計底盤細胞，將上述種類的高附加值化合物的完整合成途徑在合適的底盤細胞中重組，可顯著提高化合物的合成效率。目前在合成生物學領域，一些模式微藻藻種作為底盤細胞具有生長快、基因組和代謝途徑背景清晰、遺傳操作技術成熟等優勢，已經被用來合成多種高附加值化合物。表4梳理了近年來微藻底盤細胞合成高附加值產品的發展狀況。

表4 微藻底盤細胞中高附加值化合物的生物合成Tab.4 Biosynthesis of high value-added compounds by microalgae chassis cells

相對于真核藻類，原核藻類生物合成的相關技術較為成熟。目前利用不同的藍藻底盤已成功合成蝦青素、對香豆酸、檸檬烯和葉黃素等（表4）。真核藻的合成生物學研究仍處于探索階段，其中萊茵衣藻的研究及應用較為廣泛，是真核微藻合成生物學和基因工程的模式生物。近年來，有研究利用萊茵衣藻表達VP28蛋白，將表達該外源蛋白的藻喂養蝦可顯著控制蝦的白斑?。?5］。將粗糙脈孢菌（Neurospora crassa）來源的木酮糖還原酶經過密碼子優化后轉入萊茵衣藻細胞，可以獲得0.38 g/L的木糖醇產量［89］，異源表達植物廣藿香（Pogostemon cablin）來源的醇合酶（patchoulol synthase，PTS）能在萊茵衣藻中合成倍半萜［90］。此外，也有報道利用合成生物學技術改造萊茵衣藻的葉綠體系統直接生產霍亂、瘧疾疫苗和免疫毒素等重組蛋白［96-98］。然而，由于缺乏有效的表達元件、低轉基因滴度和比較評估的缺失阻礙了萊茵衣藻作為綠色底盤細胞的進一步發展。有學者系統評估了萊茵衣藻現有表達元件，并結合啟動子工程，創建了新的合成表達元件，改進了萊茵衣藻作為合成生物學底盤細胞的應用效果［99］。對于其他真核藻類，不同生物技術的開發及利用也越來越豐富。例如，在微擬球藻中導入高活力的外源甘油二酯?；蜣D移酶（DGAT），使其定位于葉綠體內質網膜，提高了對EPA的活力，減少了EPA在氧化途徑中的降解，使得甘油三酯（TAG）中EPA的比重提高5倍，對于以微擬球藻為原料，開發高品質可食用油脂具有重要意義［93］。海洋微藻三角褐指藻也是真核藻類的模式生物，其胞內萜類化合物巖藻黃質的合成主要通過1-脫氧-D-木酮糖5-磷酸合酶途徑實現，構建編碼該酶基因Dxs的表達質粒并整合到三角褐指藻基因組中，得到的Dxs轉化體的巖藻黃質含量是野生型藻株的2.4倍［94］。此外，在杜氏鹽藻和小球藻中也實現了CRISPR技術的應用，在纖細裸藻中實現了利用農桿菌介導的遺傳轉化，在小環藻中實現了內含子介導的基因表達增強，這些技術的開發均為未來構建改造微藻細胞工廠工業化生產高附加值化合物奠定了基礎［99-101］。

不論是真核藻類，還是原核藻類作為底盤細胞合成高附加值化合物或其他生物制品，其合理選擇是生物合成路徑構建成功的決定因素之一。微藻細胞作為表達的載體，為目的產物的合成提供了初始零件，決定了生物合成采用的底物和代謝通量，而底物和代謝通量決定了目的產物合成的性質與產量。因此，根據實際生物合成途徑選擇合適的底盤微藻細胞，并對參與代謝過程的酶和調控因子加以優化，將大大提高光驅固碳方法異源表達生物制品的靶向性。

微藻作為底盤細胞，能夠通過光合作用直接轉化CO2合成蛋白、核酸等生物大分子以及其他各種次級代謝產物，進而通過合成生物學技術對各種合成途徑進行改造與優化，可進一步有目的地生產各種藻源和非藻源的生物制品。相對于異養底盤細胞，微藻光合成生物學的發展、應用和推廣在完成生物制造的同時還起到固碳減排的效果，因此引起了科研界和產業界的廣泛關注。為了有效開發利用微藻資源，推動微藻合成生物學服務于人類生產、生活，需要從上游細胞工廠構建到下游微藻培養工程等多個環節逐一梳理存在的關鍵問題，并有針對性地推動問題的解決。

首先，構建高版本無痕工業化微藻細胞工廠的前提是精準高效穩定的遺傳轉化體系以及針對微藻基因與基因組的編輯技術體系的系統建立。建立精準高效穩定的遺傳轉化體系需要通過嘗試不同的轉化方法，優化培養條件、轉化條件，并篩選合適的表達載體和啟動子［102］。此外，如何提高基因編輯技術的準確率、降低脫靶效應和提高轉化子的穩定性是進行微藻遺傳改造的前提。采用多輪基因編輯方法構建特定功能的藻株時，無痕化編輯手段和大片段基因切除技術也是需要重點關注的方向。

其次，代謝流的深刻理解與調控是高效合成目標產物的基礎。具體地，基于某種目標產物在藻細胞中的代謝途徑，通過關鍵酶基因或轉錄子的控制，改變細胞原有代謝路徑，將光合碳輸出有效分配于指定代謝途徑，從而高效地進行目標蛋白質或碳水化合物或脂質等物質的生物合成。這其中，對生物合成和分解的前體物質、關鍵調控酶、中間產物和最終產物代謝網絡的清晰認識，是建立以微藻為底盤細胞高效合成產品的核心。

再次，微藻細胞的生物量積累和目標物質的產率決定了生產工藝的可行性。造成微藻細胞生物量偏低的原因有很多，包括反應器、光照以及溫度等，而最終生產工藝的效率是以細胞生物量和目標產物的滴度共同衡量的。因此，通過技術手段對微藻代謝的單個或多個基因進行調控以提高目標產物的積累往往具有偶然性和較差的魯棒性，這是因為細胞中各種生物質的代謝過程具有協同和競爭的關系，只有認識微藻生物質代謝的路徑、提高微藻生長和產能效率、增強細胞在不利條件下存活能力等方可讓工程化微藻細胞工廠從實驗室走向大規模生產。

最后，光合效率的提高是促進微藻合成生物學發展的根本問題。微藻的光能轉化效率最高可達8%～10%，而在實際培養過程中僅為1%～2%［103］。對構建微藻細胞工廠而言，設計、組裝并優化適配高光效的光合作用功能模塊，有助于解決實際培養中光合效率偏低的問題。此外，通過優化反應器結構和培養過程控制，也可以在一定程度上提高微藻光能轉化效率，增加目標產物的產率。例如，在跑道池中增加擾動，可以提高微藻培養液的混合強度，提高光暗循環頻率，減少光抑制；
通過在線監測和連續培養技術，維持營養鹽濃度及藻液濃度相對恒定，可以有效提高微藻光能轉化效率，進而提高生物量產率。

綜上所述，光合作用是地球上幾乎一切生命活動的能量和物質來源，而微藻通過光合作用貢獻了超過50%的地球氧氣和初級生產力。采用現代合成生物學技術，對微藻底盤細胞進行理性設計與系統改造，以提高微藻光合作用及其驅動的物質能量代謝效率，最終獲得可生物合成的重要代謝產物的工業化微藻細胞工廠，服務于未來工程化應用，具有重大意義。