传统化学工业高度依赖化石燃料，而全球向低碳经济转型的浪潮下，两条技术路线正并行发展：一是利用阳光将二氧化碳转化为有用小分子的“太阳能化学”，二是通过编程让细菌生产多种化学品的“工程菌技术”。近日，伦敦大学学院（Queen Mary University of London）苏林博士（Dr Lin Su）团队在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）发表最新研究，展示了一种创新的集成式太阳能反应器。该装置能在单一烧杯的液体环境中，直接利用阳光、水和二氧化碳，通过工程化大肠杆菌（Escherichia coli）生长出生物质。
打破壁垒：光化学与生物学的“单锅”融合
此前的生物混合设备虽已尝试将非生物光吸收器和微生物置于同一反应器中，但往往受限于催化剂、中间体和宿主生物的组合复杂性。本研究的核心突破在于实现了一套可工程化调整的组件在“单锅”中的完美整合：有机光吸收器、作为二氧化碳还原催化剂的纯化酶、可溶性单碳能量载体甲酸（formate），以及经过基因改造的大肠杆菌底盘。
这种组合的关键价值在于其模块化与可调性。太阳能电路可重新设计，酶可重新工程化，菌株也可针对目标产品进行重编程。这意味着该平台并非固定于某一种化学反应，而是为未来的灵活修改预留了空间。对于旨在替代化石燃料的清洁化工行业而言，捕获二氧化碳的化学过程与将其转化为有用产品的生物过程，最终必须在同一设备中共享。以往需要人工转移反应器的两步法流程成本高昂且效率低下，难以规模化。
工作原理：从光子到生物质的能量闭环
在该反应器内部，阳光驱动了两项反应，第三项反应紧随其后在同一液体中进行。具体而言，阳光在其中一个电极上分解水，释放出氧气供细菌呼吸；同时，阳光驱动第二个电极上的酶，从液体中捕获二氧化碳并将其转化为甲酸。甲酸是一种小分子，它以细菌可用作燃料的形式携带了捕获的太阳能。
随后，细菌吸收甲酸，利用设备刚刚产生的氧气燃烧甲酸获取能量，并利用这些能量将溶解在同一液体中的更多二氧化碳构建为自身生物质。简而言之，输入的是阳光，输出的是活体细菌。这一过程完全复现了自然光合作用的阶段，却无需任何植物、藻类或光合微生物的参与。
伦敦大学学院的苏林博士指出：“此前尝试在太阳能化学反应器中制造活体生物质（如细菌）的主要问题是，化学反应通常会释放有毒金属离子，从而毒害细菌。我们证明了使用阳光、水和二氧化碳可以在单一烧杯中安全地生长活体生物质。”他强调，一旦这种集成实现，合成生物学家只需将不同的工程大肠杆菌菌株接入相同的硬件，即可生产不同的分子。
行业展望：跨学科协作开启绿色制造新纪元
尽管目前该技术的产率仍较小，反应器运行时间仅为数小时而非数周，但其前景令人振奋。剑桥大学（University of Cambridge）的叶凯诗博士（Dr Celine Wing See Yeung）表示，该项目如同拼图般汇聚了多年的研究成果，从使有机光伏在高温下工作，到推进酶纯化及其与合成生物学的整合，展示了材料化学与合成生物学如何联手开发未来的太阳能化学精炼厂。
魏茨曼科学研究所（Weizmann Institute of Science）的罗恩·米洛教授（Professor Ron Milo）认为，这两种系统的成功集成将是可持续生产技术的关键。利用二氧化碳培养细菌的进展，为以更少土地和水资源供应食物提供了途径，并能显著缓解人类面临的气候和生态挑战。
剑桥大学的欧文·雷泽纳教授（Professor Erwin Reisner）补充道：“我们的研究证明了合成光吸收器可以与非光合微生物集成，以驱动自然光合作用的核心反应。这一成就得益于跨学科方法，通过精心选择和组合半导体、分离酶和工程微生物，在太阳能设备中实现了突破。”
对于中国新能源与生物制造产业而言，这项研究揭示了“光-电-化-生”多技术耦合的巨大潜力。随着全球对绿色化学品和可持续食品原料需求的激增，掌握此类集成反应器核心技术，将有助于中国企业在高端生物制造领域实现弯道超车，从单纯的化石原料加工向低碳、高效的生物基材料生产转型。