近日，中南林业科技大学生物学科刘高强教授团队在微生物合成代谢研究领域取得突破性进展，团队在模式微生物大肠杆菌（非光合微生物）中构建了人工光合系统，实现了“负碳”生物智造的突破。研究成果以“A new-to-nature photosynthesis system enhances utilization of one-carbon substrates in Escherichia coli”为题，发表于Nature子刊Nature Communications，这是中南林业科技大学首次在该期刊上发表研究成果。中南林业科技大学为第一完成单位、生物学2019级博士生童天同学为第一作者、刘高强教授为通讯作者；合作单位江南大学为第二完成单位，刘立明教授为该单位通讯作者。该成果为童天的博士学位论文主体内容。
生物固碳被认为是缓解全球变暖最具前景的方法；光能为清洁无污染的绿色能源。自然光合作用将太阳能和大气中的二氧化碳转化为生物质。尽管少数微生物也具有光合作用，但效率低且无法被人类大规模利用。大肠杆菌是经典模式微生物，可大规模培养，但不具光合作用，如能开发为可以利用光能和CO2进行化合物合成/产品生产，将实现绿色低碳/负碳生物制造的重要突破。 团队通过模仿光合细菌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，能将光能转化为细胞内的代谢能量ATP和NADH（与底盘菌株相比，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新的人工光合系统，并通过安装能量适配器以动态匹配光反应和暗反应。最后，该光合系统能够被编程为三种模式，从而加强CO2等一碳底物的利用以生产多样化的大宗化学品，最终实现了产品生产的负碳足迹，如生产丙酮、苹果酸和α-酮戊二酸三种产品的负碳足迹达到-0.84~-0.23 kgCO2e/kg产品。 该研究提供了一种利用全新人工光合系统进行生物智造的绿色、可持续技术。研究结果为进一步开发高效微生物人工光合系统和利用一碳底物进行负碳生物智造提供了重要技术借鉴。 ▲大肠杆菌中全新光合系统利用一碳底物负碳、智能合成化学品示意图 近年来，中南林业科技大学生物学科持续加强学科建设和人才培养。学科依托生物学湖南省基础学科拔尖学生培养计划2.0基地、森林资源生物技术湖南省国际科技创新合作基地（国际联合实验室）等平台，通过国际合作、校际合作，加强基础学科拔尖学生培养，学生的创新能力和基础研究能力明显提升。微生物学方向博士生童天（本硕博均为中南林业科技大学学生，导师为刘高强教授）、生物资源学方向博士生汪龙（导师为林亲录教授）、动物学方向博士生鲍自强（导师为向左甫教授）分别在Nature Communications、Science Advances和Cell Reports发表研究论文，实现了国际“三大期刊”子刊的全覆盖。https://doi.org/10.1038/s41467-024-55498-y
