近日，国际知名期刊《Angew. Chem. Int. Ed.》在线发表了张江高等研究院合成科学创新研究中心倪俊团队（生命科学技术学院）的研究成果“A Highly Compatible Phototrophic Community for Carbon-Negative Biosynthesis”。倪俊长聘教轨副教授为通讯作者，生命科学技术学院博士研究生李朝风为第一作者。

合成生物技术的发展和应用正在切实地帮助人类应对气候变化和能源危机，而以光合微生物为底盘的光驱动合成生物学，以其能够直接利用CO2来生产物质而成为一种新兴的“负碳”制造模式。近些年来，由自养微生物和异养微生物所组成的合成群落成为了光驱动合成生物学的一大新兴方向，其同时结合了自养微生物和异养微生物的优势，并在高附加值产品生产、生物修复和医学领域拥有着广阔的应用前景。

图一：高度兼容的光驱动合成群落示意图

这项研究工作开发的新体系通过模块化策略进行构建，作者首先在聚球藻PCC7942中插入蔗糖透性酶基因（cscB）以分泌蔗糖，得到“CO2封存模块”。接着，从数十种常用工业微生物中筛选到新型底盘微生物——需钠弧菌，以作为“高适配模块”。该新型底盘有如下优势：（1）生长快，已知的代时最短的细菌，比大肠杆菌快一倍（倍增时间小于10min）；（2）能够高效利用蔗糖，大多常用工业菌不能天然利用蔗糖，需钠弧菌具备蔗糖利用途径的完整酶系；（3）较高的耐盐性，需钠弧菌从盐碱滩中分离得到，天然具备较高的耐盐性，同时，一定的盐浓度还能促进蓝藻生产更多的蔗糖。随后，通过转录组学和代谢组学发现自养生物的光合固碳效率得到了提升，来用以支持整体合成群落的营养需求。除此之外，作者发现与囊泡相关的基因表达上调，且含氮类物质如嘌呤、嘧啶、二肽类有显著增加，考虑到囊泡有作为微生物细胞间通讯的桥梁的报道，因此作者推测这些分子可能包裹在细胞外囊泡中来实现物质传递。

图二：高度兼容群落中主要物质与能量交换

研究团队通过向需钠弧菌中分别整合乳酸，2,3-丁二醇，对香豆酸和黑色素生物合成途径，以即插即用策略结合“CO2封存模块”成功将CO2转化为终产品。经估算：生产每千克乳酸可以吸收22.27 Kg CO2；生产每千克2,3-丁二醇可以吸收41.24 Kg CO2；生产每千克对香豆酸可以吸收225.10 Kg CO2；生产每千克黑色素可以吸收606.59 Kg CO2，实现了显著的CO2封存并实现了高附加值物质的生产。

此工作提供的光驱动负碳路线直接将CO2转化为多种增值化学品，有望帮助生物制造产业摆脱糖基原料的依赖，助力碳中和，并为光驱动合成群落的理性设计和可持续发展提供了新的思路。

该工作得到国家自然科学基金面上项目、上海市科技启明星和国家重点研发计划的资助。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202215013