华盛顿大学的一个研究团队对一种名为沼泽红假单胞菌(Rhodopseudomonas palustris)的细菌进行了改造，使其能够仅使用三种可再生的、自然丰富的原料:二氧化碳、太阳能电池板产生的电和光来生产生物燃料。由此产生的生物燃料正丁醇是一种真正的碳中和燃料替代品，可以与柴油或汽油混合使用。研究结果发表在11月3日的《通讯生物学》杂志上。这项研究由副教授Arpita Bose领导，第一作者Wei Bai，是McKelvey工程学院能源、环境与化学工程系的博士研究生，原在Bose实验室担任研究助理，现在是Amyris的一名科学家，Amyris是一家用合成生物学制造可持续原料的公司。
背景
化石燃料燃烧释放二氧化碳 (CO2 ) 激发了科学家们研究 CO2到生物燃料的转化，这种方法得到的生物燃料由于不会产生额外的CO2排放而被认为是碳中和燃料。有氧光养生物如蓝藻已被用于利用CO2生产生物燃料。然而，含氧光合作用期间的氧气产生会对生物燃料生产效率产生不利影响，因为在生物合成途径中涉及的许多酶是氧敏感的。而在各种生物燃料中，与乙醇相比，正丁醇具有更高的能量含量、更低的挥发性和更低的亲水性，因此受到了更多的关注。除了化学法合成，还可以用梭菌属进行丙酮-丁醇-乙醇 (ABE) 发酵，但由于这些微生物是化学异养生物，生产的正丁醇还算不上碳中和性质。
无氧光合自养生物沼泽红假单胞菌TIE-1 (TIE-1)，可以使用各种碳源，如大气 CO2和有机酸（可以很容易地从有机废物中获得），TIE-1 还可以固定氮气 (N2 ) 并使用范围广泛的电子源，其中包括 H2（它是许多行业的副产品）、二价铁 [Fe(II)]——它是一种天然丰富的元素。最重要的是，TIE-1 还可以使用来自平衡电极（即光电自养）的电子，这些电子可以可持续地产生，用于其光合作用生长。这种广泛的电子供体选择使 TIE-1 能够进行光合作用，同时避免 O2生成，避免生物燃料合成的有害成分。TIE-1 进行光电自养的能力有利于生物燃料生产，因为 TIE-1 从平衡电极直接吸收电子避免了对间接电子供体（如 H 2 ）的需要。TIE-1 具有低 E appl (0.1 V) 要求，从而降低成本和电解氧气生成。TIE-1 的E appl要求比水分解所需的低约 90% ，这允许使用低成本太阳能电池板来构建用于太阳能燃料合成的新型生物混合系统。总体而言，TIE-1 是一种吸引人的微生物，它能够使用丰富的 CO2、氮气、太阳能和可再生电力产生的电子进行生物生产。这个过程可以将多余的电力储存为可用的燃料或产品，以备后用。
亮点
基于这两点，来自华盛顿大学的研究人员将正丁醇生物合成途径引入无氧（厌氧）光能自养生物沼泽红假单胞菌TIE-1 (TIE-1)中，实现了在野生型 TIE-1、缺乏固氮途径的突变体、以及缺乏乙酰辅酶 A 消耗（多羟基丁酸和糖原合成）途径的突变体中合成正丁醇。其中，缺乏固氮途径的突变体产生的正丁醇最多——结合新型混合生物电化学平台，该突变体可利用 CO2、太阳能电池板产生的电力和具有高电能转换效率的光生产正丁醇。研究表明沼泽红假单胞菌 TIE-1 可作为一种有吸引力的微生物类型，使用可持续、可再生和丰富的资源进行碳中性正丁醇生物生产。
正丁醇生物合成途径，盒式设计，生产正丁醇的沼泽红假单胞菌TIE-1（TIE-1）的主要代谢途径。
正丁醇生物合成途径包括五个基因。每个基因编码的酶和这些酶催化的反应以深蓝色显示。两种主要副产品（丙酮和乙醇）以深红色显示。NADH，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸；NADpH，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸。b盒式设计。3基因盒仅在组成型启动子 p aphII下的质粒上引入了3 个基因（phaJ、ter和adhE 2），需要依靠TIE-1基因组上的pHAA和pHAB进行正丁醇合成步骤的前两个步骤。5 基因盒包含位于组成型启动子p aphII下的所有五个基因（pHAA，pHAB，phaJ，ter和的adhE 2）。c 光能异养：TIE-1 使用有机酸作为碳源和电子源，光作为能源，铵（NH 4 +）或双氮（N 2）作为氮源。d 光能自养：TIE-1 使用二氧化碳作为碳源，氢 (H 2 )、亚铁 [Fe(II)] 或平衡电极作为电子源，光作为能源，NH4 +或 N2作为氮源。
“微生物已经进化出一系列令人着迷的方法，以从周围环境中获取营养，”Bose说。“也许这些发酵技术中最吸引人的一项就是使用微生物电合成(MES)。在这里，我们利用微生物的力量，在可用的生物燃料中将二氧化碳转化为增值的多碳化合物。”Bai说:“我们制造的燃料正丁醇，能量含量高，在不燃烧的情况下不易蒸发或溶于水。与乙醇这一常用的生物燃料相比，情况尤其如此。”
通过微生物电合成为生的微生物直接连接到MES反应器内的负电荷阴极上，这样它们就可以“吃”电。Bose实验室之前的研究帮助阐明了诸如TIE-1这样的微生物是如何利用电子固定二氧化碳的，以及它们如何被用来制造可持续的生物塑料。Bose说，随着科学家对这些微生物的了解越来越多，它们的潜在用途也越来越有前景，不过她也承认，在这种技术可以大规模工业化之前，还需要改进。
生产可持续的生物燃料
为了探索如何利用TIE-1来生产生物燃料，Bai和Bose构建了一种不能固定氮的微生物突变体。科学家们随后将人工正丁醇生物合成途径引入到这个新的突变体中。当氮气是其唯一的氮源时，他们制造的微生物无法生长。因此，这一版本的TIE-1转而致力于生产正丁醇——在不显著增加电力消耗的情况下提高了生物燃料的产量。
白说:“据我们所知，这项研究代表了利用太阳能电池板驱动的微生物电合成平台生产生物燃料的首次尝试，在这个平台上，二氧化碳可以直接转化为液体燃料。”“我们希望它能成为未来可持续太阳能燃料生产的垫脚石。”Bose说:“利用太阳能电池板产生的电能，利用微生物电合成技术实现生物塑料和生物燃料的工业化生产，创造了一个完全可持续的循环。”“美国和欧盟承认微生物电合成是可持续发展和气候变化解决方案的关键技术。”“最终，通过开发在遥远的过去进化的微生物代谢，我们希望新的方法将出现，帮助解决我们这个时代一些最紧迫的问题。”