近期，我校生物工程学院刘立明教授团队在设计开发全新人工叶绿体研究中取得重要进展，研究成果“A new-to-nature photosynthesis system enhances utilization of one-carbon substrates inEscherichia coli”正式发表于Nature Communications (IF = 14.7)（https://doi.org/10.1038/s41467-024-55498-y）。
自然光合作用由光反应和暗反应组成，将太阳能和大气中的二氧化碳转化为生物质，以用作食物、木材和生物燃料。然而，实施大规模的自然光合作用面临着诸多限制，例如与人类生存至关重要的农业和林业资源的竞争、较困难的纤维素生物质加工处理以及不确定的气候条件变化。蓝细菌和藻类利用其天然的光合作用建立了光驱动的微生物细胞工厂，有效地解决了上述限制并实现了碳负性生物制造。尽管取得了这些进展，但也面临着新的挑战，包括可用性有限的合成生物学工具包、较长的生长周期以及需要满足工业需求的生产力。为了克服这些挑战，刘立明教授与中南林业科技大学刘高强教授联合带领团队通过重组和模仿光合细菌中光合作用的核心结构元件及功能，在大肠杆菌中设计开发了全新的人工光合作用系统，加强了一碳底物的利用以实现负碳制造。
该研究通过光反应、暗反应和能量适配器的组装，在大肠杆菌中构建了一种全新的人工光合作用系统，以利用二氧化碳为底物合成多样化的大宗化学品(图1)。首先，通过模仿光合细菌Rhodopseudomonas viridis的光系统，在大肠杆菌中异源引入光合反应中心核心蛋白PufL和细菌叶绿素a分子类似物MgP，从而为大肠杆菌定制了一个光反应，能够将光能转化为胞内的代谢能量(ATP和NADH)，促使胞内ATP和NADH的含量分别增加了337.9%和383.7%。随后，通过设计C1模块和C3模块并组装成CO2固定途径ADRP以利用CO2合成中心代谢物丙酮酸，从而为大肠杆菌构建了一个暗反应。然后，通过组装光反应和暗反应，建立了一个可持续的人工光合作用系统，并通过安装能量适配器以动态的匹配光反应和暗反应。最后，该人工光合作用系统能够被编程为3种模式：ATP和NADH无偏向分配模式(UDM)、NADH偏向分配模式(NBDM)和ATP偏向分配模式(ABDM)，从而加强一碳底物的利用以合成多样化的大宗化学品，如丙酮、苹果酸和α-酮戊二酸，促使其负碳足迹达到-0.84~-0.23 kgCO2e/kg产品。此外，通过菌株适应性进化，实现了大肠杆菌的光驱动一碳营养型生长，其倍增时间为19.86小时。本研究建立的全新人工光合作用系统为未来加强一碳底物的利用提供了一种绿色和可持续的方法。
该论文的第一作者为2019级博士生童天，共同通讯作者为刘立明教授和中南林业科技大学刘高强教授。上述研究得到了国家自然科学基金重点项目(22038005)、江苏省自然科学基金重大项目(BK20220022)、江苏省前沿引领技术基础研究专项(BK20212013)、湖南省科技创新团队项目(2021RC4063)、江苏省合成生物学基础研究中心(BK20233003)等资助。
近年来，刘立明教授团队以合成生物学科学理论为指导，在固定二氧化碳高效合成高值化学品方面开展了系统性的研究，并取得了一系列原创性研究成果，部分成果已发表在Nature Catalysis (2021, 2020)、Nature Communications (2024, 2022, 2021, 2019, 2018)、Angewandte ChemieInternational Edition (2024, 2023, 2022)、ACS Sustainable Chemistry & Engineering (2024, 2023)等生物化工领域主流学术期刊。
大肠杆菌中人工叶绿体的示意图
