地球正在升温。
去年，37.1千兆吨的二氧化碳被释放到大气中。每秒产生240万磅（或110万公斤）。虽然二氧化碳的升温潜能远远超过甲烷和碳氟化合物衍生物等其他化合物，但排放的碳量仍然令人不安。
偶然，碳也是生物学的关键。将简单的碳分子（如二氧化碳）转化为多碳化合物是生命，新陈代谢和进化的核心。在工业中，排放的碳气也可用于生产化学产品，而不是来自化石燃料和精炼石油。
然而，碳固定并不容易，解决这个问题需要大量投资，密集的生物学研究和创新方法。例如，低大气浓度的温室气体使它们极难捕获和再循环。二氧化碳在大气中仅占大约百万分之405，甲烷占百万分之二。
尽管大气中温室气体浓度较低，但自养生物 - 如漂浮在世界海洋中的大片蓝藻 - 可以利用阳光有效地将二氧化碳转化为食物和氧气。然而，固定碳的天然代谢途径通常依赖于缓慢或低效的酶，如RuBisCO。此外，生物学家对即使是最简单的生物体的基因和相互作用的蛋白质网络也有不完全的理解，混淆了我们重新接触新陈代谢以增强碳固定的能力。
尽管存在这些障碍，但仍然不能持续依赖石化产品，迫切需要一种通往碳基产品的新途径。合成生物学在这里有所帮助。
带垃圾，带现金
许多公司已经开始通过重新布线微生物代谢来将温室气体转化为生物燃料和塑料。几乎在所有情况下，工厂或垃圾填埋场排放的“废物”气体都被用作碳源。
总部位于伊利诺伊州Skokie的LanzaTech将工厂排放的废弃一氧化碳转化为乙醇，很快将其他化学品转化为乙醇。 SynBioBeta的撰稿人EmiliaDíaz之前曾撰写有关LanzaTech快速增长和基因工程套件的文章。 LanzaTech已经在商业规模生产乙醇超过一年，在中国运营的气体发酵设施和加利福尼亚州，比利时，印度和南非正在建设的其他设施。他们每年将通过碳废物生产约7700万加仑的乙醇。
根据LanzaTech的首席科学官兼联合创始人Sean Simpson博士的说法，工程微生物特别适合碳转化，因为“化学方法需要非常固定比例的气流，因此[碳源]不仅必须非常固定，但也要确定对所需产品的选择性。“
基本上，在生物学进入聚光灯之前，碳废物排放的不可预测性是一个问题。
“有了生物学，你就拥有了一种能够吸收高度可变入口气体的催化剂，这是你从生物质废物或工业过程产生的废物流中获得的......并且可以将可变气体转化为高产量的单一产品选择性，“辛普森说。
但工厂排放并不是合成生物学公司旨在获取利润的唯一可行的碳源。其他人正在从农场和垃圾填埋场吸收碳并用它来制造燃料或塑料。
几乎所有地球上的塑料都是用石油制成的，但总部位于加利福尼亚的Newlight Technologies公司旨在改变这一点。他们使用垃圾填埋场甲烷生产一种名为AirCarbon的塑料。该方法包括将甲烷与空气混合并将其转化为液体，然后将其加入微生物中。微生物产生的生物聚合物可以熔化以制造塑料产品，包括手机壳和椅子。
近年来，Newlight与包括宜家和维玛在内的大型塑料经销商合作，并宣布了快速扩大生产规模的计划。由于Newlight希望减少碳排放，同时提供更环保的塑料替代品，因此正在建设年产量达3亿和6亿磅的生产设施。
尽管人们对碳回收持续存在兴趣，但仍有许多障碍需要克服。工业界越来越多地建立学术伙伴关系，以追求冒险的想法，并开发出现成的碳回收解决方案。
学术界推动碳回收
为巩固学术关系，一些公司在财务上支持合成生物学的学术研究。 Ingenza和Sasol UK之前与Dundee大学的Frank Sargent教授合作开发了一种捕获和回收废二氧化碳的方法。发表在Current Biology上的合作结果表明，大肠杆菌可以将100％的气态CO2转化为甲酸，并使用一种叫做甲酸氢化酶或FHL的酶。
现在，Ingenza正在推动该项目的发展，旨在利用该技术捕获和回收发酵过程中的碳废物，同时生产化学品。 Ingenza已经成功地利用发酵，蛋白质工程和合成生物学来设计细胞，用于大规模生产抗生素和化学品以保护作物。
但要应对像全球碳排放这样巨大的挑战 - 并在减少它们方面做出真正的努力 - 学术界必须超越模式生物，如大肠杆菌，寻求答案。
伦敦帝国理工学院代谢工程小组组长Patrik Jones博士知道，天然碳固定过程存在严重的局限性，但他们相信合成生物学可以产生相当大的影响，并且可以更好地理解生物学。他的团队的目标是开发“可以增强人类活动可持续性的全新概念”。
通过研究和设计自养生物，特别是最初在淡水池中发现的蓝藻菌株，琼斯集团已经成功地从光合作用中生产出脂肪酸，醇，烷烃和烯烃。他们还“挖掘”了这种蓝细菌的基因组，以更好地了解其代谢网络。尽管做了这些努力，生物学并不容易揭示它的秘密，并且生物体并不总是适合遗传“重新布线”。
琼斯表示，“我们在扩大工程自养系统方面面临着重大挑战，但最近我觉得我们正在逐步集体，在解决一些关键挑战方面取得进展，例如污染和遗传稳定性。”琼斯还解释说为了改善碳固定以改善人类活动，科学家们首先要弄清楚如何提高碳固定的总体速度。
位于德国马尔堡郊区的另一个学术实验室旨在实现这一目标。
“从生物化学的角度来看，RuBisCO已发展到一定的最佳状态，但它不能再进一步发展，”马克斯普朗克陆地微生物研究所所长Tobias Erb教授说。
“RuBisCO可以修复二氧化碳，它可以很快，但会产生很多错误，或者它可以准确，但效果很慢，”Erb说。尽管RuBisCO在植物和许多光合生物中无处不在，但它作为一种酶有点令人失望。它经常“错误地”与氧气结合，而不是二氧化碳，这会降低其效率。
然而，Erb看到了自然界的潜力，并认为合成生物学可用于改善像RuBisCO这样的酶。 “我们希望从大自然中学习，然后运用知识开发解决方案，”Erb说，他的实验室以挖掘生物基因组和开发新酶以克服碳固定限制而闻名。
2016年，Erb的研究小组发表了第一个用于体外固定二氧化碳的全合成代谢途径。合成途径称为CETCH，由来自9种不同生物的17种不同酶组成，包括3种工程酶。值得注意的是，它比一些天然碳固定途径的效率提高了五倍，并且对氧气完全不敏感。
虽然将这种途径整合到活细胞中更具挑战性，但Erb认为，随着技术的进一步发展，合成碳固定途径有朝一日可能会在体内实施。
凭借自然界的灵感，合成生物学为碳回收提供解决方案。但是工作还有待完成，未来将建立在生物学的支柱上，而不是机会。
生物学理解是未来的支柱
随着科学家们探索分子世界以寻找巨大问题的答案，生物学仍然不愿意分享它的秘密。琼斯知道还有很多基础工作，合成生物学尚不清楚。
“总的来说，我们的主要限制是理解。生物学很复杂，虽然我们认为我们了解大多数基因在模式生物体中的作用，但这仍然让我们面临着理解他们共同贡献的网络的挑战，“他说。
然而，随着LanzaTech，Newlight和Ingenza等公司将碳回收规模扩大，Jones和Erb等学者在开发新的合成生物工具方面向前推进，碳排放量可能会大幅减少。
在许多方面，人类碳排放是地球有史以来面临的最大挑战。减少我们足迹的解决方案将是合成生物学的最高成就。
——文章发布于2019年6月25日
