工业生产排放的二氧化碳，正在被科学家重新定义为一种可资利用的"碳原料库"。美国西北大学卡里姆（Ashty Karim）博士领衔，联合斯坦福大学研究人员共同开发出一套名为"还原甲酸盐途径"（Reductive Formate Pathway，简称ReForm途径）的无细胞合成系统，能够在活体细胞之外将二氧化碳转化为乙酰辅酶A（acetyl-CoA）——这一分子是合成塑料、医药等几乎所有有机化学品的核心前体。研究成果已发表于国际**期刊《自然》（Nature）。
"二氧化碳的不受控排放，已为人类带来严峻的社会与经济挑战。"卡里姆表示，"要应对这一全球性难题，我们迫切需要开辟通往负碳制造的全新路径。"所谓负碳制造，即生产过程从大气中吸收的二氧化碳量超过其自身排放量，是当前碳中和目标下最具价值的工业范式之一。
乙酰辅酶A：连接碳循环与工业制造的关键枢纽
乙酰辅酶A在生命代谢中举足轻重——人体分解碳水化合物、脂肪和蛋白质后，最终大多汇入这一分子，随后进入柠檬酸循环，驱动腺苷三磷酸（ATP）的合成，为细胞活动提供能量。正因如此，乙酰辅酶A也是合成脂肪酸、萜类化合物、聚酮类等众多工业化学品的起点，一旦能以二氧化碳为原料高效合成，便可串联起碳捕获与工业制造两大环节。
ReForm途径的技术逻辑分为两步：首先，利用电化学还原（electrochemical reduction）——即向二氧化碳通入电子——将其转化为甲酸盐（formate）。甲酸盐是一种含碳氢的简单化合物，可溶于水、以液态储存，便于运输和使用。其次，由一系列经过工程改造的酶接力催化，将甲酸盐逐步"堆砌"成乙酰辅酶A，整个过程共六步反应，每步均在无细胞体系中完成。
与依赖活细胞的传统生物制造路线相比，无细胞体系的优势在于研究人员可以直接调控每一种成分的比例与浓度，无需兼顾细胞自身的生存需求。活细胞在以甲酸盐为主要碳源时，往往将大量能量用于自我维持，真正转化为目标产物的碳比例有限；而脱离细胞的酶系统则可将全部资源集中于目标反应，效率更高。
66种候选酶的高通量筛选与非天然反应的工程化设计
ReForm途径的构建绝非一蹴而就。该途径包含多步"非天然反应"——即在任何已知生物体内均不存在的化学步骤，研究团队为此对五种酶进行了重新设计，使每种酶能精准抓取碳片段或传递电子，再将产物递交给下一个酶。
为筛选出最优酶变体，团队利用无细胞提取液对来自多个物种的66种候选酶进行了高通量测试，最终只保留表现**者。"通常，研究人员测试少数几种酶就需要数月甚至更长时间，"卡里姆说。无细胞体系的高效筛选能力，大幅压缩了原型验证周期。此外，研究人员还通过精细调节辅因子（cofactor，即酶催化所需的辅助分子）用量和酶的加载量，显著提升了多步串联反应的整体速率。
ReForm途径的另一亮点在于原料多样性。斯坦福大学的迈克尔·朱厄特（Michael Jewett）与卡里姆共同领导了这项研究，他指出："ReForm途径可灵活使用多种碳源，包括甲酸盐、甲醛和甲醇。这是合成代谢途径架构首次实现上述能力。通过将电化学与合成生物学相结合，ReForm途径也为通用型二氧化碳固定策略拓展了解决方案的空间。"
负碳制造的现实门槛与未来方向
尽管前景令人振奋，负碳制造的实现仍有严苛条件需要满足。科学家强调，只有当整个流程——从碳捕获到产品生产——的能耗足够低时，该过程才能被认定为真正意义上的"负碳"。生命周期评估需将电力来源、设备制造等环节的排放一并纳入核算，唯有使用清洁电力驱动电化学还原步骤，整个链条才能实现碳的净移除。
此外，从实验室台架到工业化大规模生产，还面临反应器放大过程中热量控制、混合均匀性以及酶的耐久性等工程挑战。卡里姆团队计划进一步优化酶的催化性能、探索替代反应路线，因为每一步骤哪怕微小的效率提升，累积起来也将带来可观收益。"从这里出发，我们可以想象这项工作朝着几个不同方向延伸，"卡里姆表示。
值得关注的宏观背景是：自1850年至1900年工业化基准期以来，人类活动已使地球平均气温升高约1.1摄氏度（约合2.0华氏度），二氧化碳减排与利用的紧迫性与日俱增。将捕获的碳转化为有机分子的过程（即碳固定）若能大幅提速，将成为应对气候变化的重要技术支柱。
对于布局碳中和与绿色化工的国内企业而言，ReForm途径所代表的"电化学还原+无细胞酶催化"组合路线值得重点关注。中国拥有全球最大规模的可再生能源装机，若能将低成本绿电与此类碳固定技术深度耦合，不仅可为化工、医药等高碳行业的原料端"脱碳"提供可行方案，更有望在新兴的负碳制造产业中占据先发位置。当然，从实验室走向量产，酶的稳定性、系统集成成本以及全链条碳核算的透明度，仍是国内研发机构和企业需要着力攻克的核心课题。