可再生能源基础设施的建设达到了前所未有速度 [2]。根据国际能源署的数据，2020 年间，全球生产的电力中，有 29% 来自风能和太阳能等可再生能源，比前一年增长 2% [3]。但其他数据并不令人乐观。可再生能源只满足了约 11% 的总能源需求，而近 85% 的需求量仍只能依靠化石燃料来补足 [4]。此外，新能源的供应越来越跟不上需求量的剧增，中间的断层日益增大 [5]。

这种发展趋势令人担忧。使用化石燃料制造能源是迄今全球温室效应气体（主要是二氧化碳 CO2）的最大来源 [6]。2021 年，由于新冠疫情在上一年造成了少见的能源需求下滑，全球能源相关的 CO2 排放量在该年出现反弹，达到 363 亿公吨，创下历史新高 [7]。

建设可持续能源基础设施、降低我们对化石燃料的依赖现已成为当务之急。虽然这样能在一定程度上被动地减少碳排放，但我们也可以采取更主动的手段来消解大气中的 CO2 聚集。

这种更积极的想法正是当今方兴未艾的“碳捕获、利用和存储”领域的重要推动力之一。重型工业、新兴企业和研究人员已经开发出多种捕获和转化 CO2 的方法，已经将 CO2 转变为化学品和甲醇之类清洁燃料，还能转变为塑料和其他聚合物、混凝土以及类似建筑材料，甚至钻石和伏特加 [8]。

但是迄今为止，捕获、利用和存储碳的最大功臣既不是某家公司也非某种技术，而是大自然自身。

2019 年起，我们开始为健康、营养和能源领域中最有远见、最具想象力的梦幻产品颁发“洞悉未来”奖。这一年度奖项附带一笔高达 100 万欧元的奖金，用于对突破性的新科技研发提供支持，帮助追梦者们将天马行空的想法变为现实。

今年，我们将“洞悉未来”奖项授予德国马尔堡麦克斯·普朗克地球微生物研究所的生物化学及合成代谢系主任 Tobias J. Erb 博士/教授。他的研究为 CO2 到燃料转换装置这一梦幻产品概念作出了贡献。一旦变为现实，这一产品将能使大气中的 CO2 转变为高能量密度的燃料，从整体上反转碳足迹的方向。

不过，这种梦幻产品其实早已存在——如果它们能叫作产品的话。CO2 到燃料的转换装置事实上随处可见：在花盆里享受阳光，或者在花园里高高挺立。

举个例子：一棵树会吸入 CO2，通过光合作用将其转化为有营养的碳水化合物，并“呼出”氧气 (O2)。砍倒这棵树并将它作为木柴燃烧，就相当于使用这一纯天然 CO2 到燃料转换装置制造的能量。

如果在砍倒树的位置又种下一棵树，则燃烧旧树产生的 CO2 会被新树吸收制造养分，这实际上是一种碳中和交换。需要吸收 CO2 来生长和繁殖的光合作用微生物也一样。将它们用作生物燃料，而燃烧产生的 CO2 又可以用作养分来补充微生物群落的数量。

当然，造林和微生物养殖并不能完全解决碳排放和全球能源需求上的问题。Erb 博士的工作专注于研究天然 CO2 捕获系统的生物学和化学，最终的目标是借鉴其原理，通过生物工程制造全新的 CO2 转化酶，在天然系统的基础上开发出更高效的转换系统。

据估计，有超过 90% 的 CO2 都是通过光合作用的卡尔文循环及其关键的酶 RuBisCO 来捕获（或“固定”）的。这是植物和微生物中最常见的碳固定代谢路径，但它只是大自然中众多代谢路径中的一种。Erb 博士及其同僚迄今已发现了数种之前未有记述的碳固定路径和酶，包括一类全新的烯酰辅酶 a 羧化酶/还原酶 (ECR) [9、10]。它们是目前发现的最高效的 CO2 转化酶，效率高达 RuBisCO 的二十倍。

对这些 ECR 的分析展示了它们的结构全貌并细致地解析了其机理，从而构建出大量高效而适用性广、经过生物工程加工的人工对应物。但是，天然的碳固定代谢路径很复杂，存在众多的影响因素。捕获 CO2 并将它转化为有用的碳水化合物并不是单独一种酶的工作，而是众多酶之间精准协作的结果。

代谢逆合成是单体酶优化之上的更高层次的工作。这是一门旨在创造全新 CO2 转化合成路径的工程学科，它利用自然界中各种已知的酶，从头构建代谢路径，并通过新开发的蛋白质来填补中间的空缺环节。

ECR 的发现让 Erb 博士的实验室成功地创造出“CETCH 循环”：一种由 17 种酶构成的代谢路径。其中 14 种酶是从九种生物体中提取的，其余三种则为通过生物工程制得的蛋白质 [11]。CETCH 循环的碳固定率是天然光合作用的 20 倍，而 CO2 固定的单位耗能也低 20%。

“TaCo 路径”是另一种合成系统，其中包含三种生物工程酶，有一种是全新开发的碳固定酶。构建它的目的是解决光呼吸作用的低效率问题：天然光合作用中存在一个不利的步骤，会导致约 25% 的已固定碳变为 CO2 被重新释放。TaCo 路径并非单纯地填补这一漏洞，还减少了光呼吸作用的能量消耗，并将碳固定效率提升至 150%，使其成为了一种碳捕获过程 [12、13]。

在这一进展的基础上，Erb 博士及其来自多个学科的同僚们完成了一种人工叶绿素的开发。植物细胞中的叶绿素内含实现天然光合作用的机制，而人工叶绿素也一样能利用阳光作为能源，实现更高效的 CETCH 循环来将 CO2 转化为多碳化合物 [14]。

将碳固定效率提升到超越天然的水平只是制造理想转换装置的众多环节之一。如果能设计出一种效率超群的微生物体来利用这一合成代谢过程，当然可以构建出一种增长快速的生物体燃料源。但是，这充其量只能实现碳中和的结果。因此，Erb 博士也正致力于扩展 CETCH 循环的步骤，以求实现化学品的生产，包括高能量密度的燃料。

早期成果令人充满期待。他的实验室通过将 CETCH 循环与其他天然和合成路径结合，在同一过程中调度多达 50 种酶，已经实现了将 CO2 直接转化为多种有用的碳基化合物 [15]，包括十五烷，这是石油和柴油燃料中的一种重要成分 [16]。

这一系列研究最终可能会创造出一种负碳足迹的未来燃料源，即某种“设计者”微生物或植物使用 CO2 来同时维持自身的生长和制造生物燃料来满足我们对能源的需求。

不过，还有大量值得关注的研究领域等待探索。例如进一步提高碳固定路径的效果和产率。对于实验室中设计的合成路径，不需要重复数十亿年来优胜劣汰的物种进化造成的、对生物体代谢的精细调整过程。  

因此，Erb 博士综合采用了机器学习、高通量筛选和实验室自动化技术来人工模拟进化过程，并从中开发出全新的代谢路径。这些策略已经实现了对原版 CETCH 循环的全方位优化，将其效率提升至高达十倍。  

人工叶绿素是对人工固碳可行性的有力证实，但叶绿素终究只是光合作用的引擎。在天然生物体通过光合作用实现碳捕获、利用和存储这一复杂机制中，它只是其中的一环。下一个里程碑将是开发一种多细胞“人工树叶”，来更细致地模拟这一机制。

这会使 Erb 博士的工作向其雄心迈出突破性的一步，将合成路径从实验室迁移到自然生态系统中。

这是一项巨大的挑战。因为这需要将整个合成路径通过基因编码植入某种生物体，使得所有酶的表达和工作都能按预期进行。此外，还必须保证该生物体只依靠这一代谢流程生存和繁衍，从而形成留存和改善该路径的物种进化压力。

但是，一旦这种重编程技术在植物等更高等的生物体上实现，预计现有 CETCH 循环和 TaCo 路径的结合将能使这些生物工程植物的固碳率提升 20% 至 200%。

Erb 博士的工作是对多个行业和学术界各自工作成果的补足和完善。例如，工业化学和生物工程领域的进展已经能将 CO2 转化为有用的产物。

负碳足迹 CO2 到燃料转换系统是一种梦幻般的成果，但它只是无数可能中的一种。用一句话概括 Erb 博士的研究，就是借鉴天然系统的机制，彻底发掘出固碳系统的潜力，从而开发出“设计者”生物体，生产出燃料、药物、食物添加剂和香料等增值碳化合物产品。

该研究还能促进代谢效果更好的新一代农作物的开发，大幅度提升产量，满足日益增长的人口对食物的需求。这并不是一座某项进展就能决定成败的独木桥。正如 Erb 博士所说：“我们的技术并不是要具体开发某种产品或工艺。相反，我们开发的合成生物方法具有可转变的特性，能让我们设计出多种定制化的解决方案，满足可持续发展这一全球性的长期需求。”