要说在迄今为止已经发现的100余种元素中，哪一个能够深刻的改变地球的面貌和人类社会的发展，这一殊荣非碳莫属。作为一切有机物的骨架元素，碳元素造就了五彩斑斓、生机盎然的生物圈，碳基生命的存在让地球从36亿年前摆脱了死寂和荒芜，并最终诞生了人类文明。而维持人类文明运行的衣、食、住、行等物质基础，无不是直接或间接在利用含碳化合物。就连推动人类发展的能源，目前依然需要大量的碳。
不过，我们所能直接利用的物质和能源，无论是食物还是石油，都是处于固定状态的碳元素。无论是经过生物的新陈代谢，抑或是工业的燃烧，它们最终都会形成非固定状态的碳——二氧化碳，并进入大气当中。
每次呼吸，我们的身体都在将固定状态的碳元素转化成非固定状态，向大气中排出二氧化碳。图片来源：tumblr.com
二氧化碳本身是大气的正常组成部分，也是连接有机态碳和无机态碳（如碳酸盐等）的中间物质。在自然界中，长期的演化产生了多种将二氧化碳转化为固定的形式的有机物的途径，而拥有这些途径的生物，被称为“自养生物”。
在这些途径中，最为人们所熟知的，就是绿色植物光合作用中的二氧化碳同化过程。全世界的植物通过光合作用，每年能够固定超过一千亿吨的二氧化碳。它们将二氧化碳转化为储存着来自太阳能量的物质——糖类，再以淀粉、纤维素等形式，被包括我们人类在内的其他生物所使用。
二氧化碳浓度升高，光合作用也挡不住了
然而，随着人类社会的发展，大量化石燃料的燃烧使得大量原本处于固定状态的碳进入大气，从而逐渐提高大气的二氧化碳浓度，进而导致了包括温室效应在内的全球性环境问题。单凭植物自身的固碳作用，已经无法保证大气中二氧化碳含量的稳定。
在生物体内，二氧化碳的固定过程本质上是由多个酶“接力”进行的一系列酶促反应。其中最为关键的，是寻找一个合适的物质作为“接受者”来结合二氧化碳，并随之开启下一步的反应。并且在得到最终产物之后，这个“接受者”又能够恢复到原本的样子，从而完成一个固定碳的循环。在植物中，这一过程被称为“卡尔文循环”：
卡尔文循环示意图。作为光合作用里碳反应的一部分，这一循环能够帮助植物固定二氧化碳。图片来源：Mike Jones，Shakiestone/commons.wikimedia.org
在卡尔文循环中，充当“接受者”的1,5-二磷酸核酮糖（Ribulose-1,5-disphosphate，RuBP）。由于接受二氧化碳是一个羧化过程，催化这一步反应的酶被称为RuBP羧化酶（RuBisCO）——作为二氧化碳固定中最为关键的酶之一，RuBisCO实际上是地球上总量最大的一种蛋白质。
然而，演化并非尽善尽美。RuBisCO尽管被绝大多数植物选择作为碳固定中的第一个羧化酶，但它依然存在效率偏低、而且容易发生氧化反应的缺陷，这限制了碳固定效率的提高。
那么，人类是否能够模仿自然界中存在的固碳过程，来发展出一套人工的固碳通路呢？答案是肯定的。就在今天的《科学》杂志上，一组来自德国的科学家们，就利用合成生物学在细菌中重建了一套全新的人工固碳通路[1]。
取材三域，打造一条高效的碳固定通路
为了找到比RuBisCo表现更好的羧化酶，科学家们对所有已知的羧化酶系进行了生物化学和酶动力学检测。最终，他们将目光集中在了一类来源于α-变形菌及链霉菌体内的、烯酰辅酶A依赖的羧化/还原酶（ECRs）体系上。相比于RuBisCo，ECRs能够专一且高效的催化二氧化碳的固定，效率达到前者的2-4倍。经过进一步筛选，他们将ECRs中的巴豆酰-辅酶A羧化/还原酶（CCR）确定为人工固碳过程的第一个催化酶。而充当二氧化碳“接受者”的分子，则就是巴豆酰-辅酶A。
当然，确定了起始的羧化酶和接受二氧化碳的分子，只是走出了第一步。随后还需要有一系列还原酶、脱氢酶类参与，来执行后续的二氧化碳固定和巴豆酰-辅酶A的还原过程。借助与第一步类似的方法，科学家们如凑齐七龙珠一般，在9种不同的生命体中找到了完成整个过程所需的17种酶类。这9种生命体，分别来源于整个生物界的三大域——古菌域、真细菌域和真核域，真可谓是集生物界的“精华”于一体。
不过，人们还是不满足于“拿来主义”。自然演化而成的这些酶类，依然有值得改造和提升的空间。例如在固碳循环中起到脱氢作用的甲基琥珀酰辅酶A脱氢酶（Mcd）的效率，就不太尽人满意，成为了反应中的限制步骤。因此科学家们又操起了基因工程这把“手术刀”，修改了Mcd中的三个氨基酸，将其转化为可以直接用氧气分子作为氢受体的甲基琥珀酰辅酶A氧化酶（Mco）。这样大大加快了这一过程的反应速率。
在自然界中，已知的生物固碳的通路有6种。科学家这次人工合成的新通路CETCH与其中一种名为3HP-4HB循环的生物通路有一些相似之处，但能量效率相对3HP-4HB循环更高。图片来源：10.1126/science.aal1559
通过对来源于不同生物体酶的组合与改造，科学家们最终构建起了一条能够固定二氧化碳的全新的通路，这一通路是完全人工构建的，自然界中从来没有存在过。科学家根据这一通路中三个关键中间化合物的名字（巴豆酰辅酶A、乙基丙二酰辅酶A、羟丁酰辅酶A）的首字母命名为CETCH通路。经过优化，这一通路的固定二氧化碳的速度可达5nmol每分钟每毫克蛋白——可达到相当于卡尔文循环的十余倍的程度。这条全新的碳固定通路，能够源源不断的将二氧化碳转化为苹果酸，一种可以被后续利用的有机物。
CETCH通路不仅固定二氧化碳速度更快，并且对能量的利用率更高。尽管目前构建的CETCHT通路还必须在体系中加入能量来源和氢受体，如ATP和NADPH等，但科学家们已经开始设想将这条通路和光合作用中生成能量的光解和电子传递途径结合起来，来进一步实现可持续性的人工二氧化碳固定。如果这一目标能够实现，那么无论是对于有机物的合成，还是缓解温室效应等环境问题，都有着极其重要的意义。
这条全新的人工二氧化碳固定通路的构建，体现出了合成生物学的巨大潜能。在人们对生物体内不同酶和代谢通路的结构和功能不断加深了解后，人们不再满足于对已经存在的代谢过程中单一酶或过程进行“微调”，而是致力于整合不同功能的酶，组合成为全新的代谢通路，更好的进行某一生物过程，甚至实现自然界中从未出现过的新的生物过程，这正是合成生物学所要实现的目标。我们相信，通过更为深入的研究，以及发挥人们的想象力，还将有更为神奇、更为有用的生物代谢过程，在合成生物学家们的手中成为现实。
（编辑：Calo）
参考文献：
- Thomas Schwander, et al. A synthetic pathway for the fixation of carbon dioxide in vitro. Science (2016) : Vol. 354, Issue 6314, pp. 900-904 DOI: 10.1126/science.aah5237