由馬里堡馬克斯普朗克陸地微生物研究所的Tobias Erb及其同事開發(fā)的合成代謝途徑將大氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化為有機物質(zhì)，比植物能夠通過光合作用更有效。我們詢問研究人員這個過程對氣候保護有何意義，討論了研究小組為實現(xiàn)目標必須克服的障礙，并研究了合成生物學(xué)開辟的新觀點?，F(xiàn)在，固定二氧化碳的合成代謝途徑是否是抑制氣候變化的有效手段?

首先，我們的目標是了解氣態(tài)二氧化碳如何轉(zhuǎn)化為有機分子的基本生物和化學(xué)原理。我們的主要動機不是阻止氣候變化。我們正在尋求利用生物方法開發(fā)大氣中的二氧化碳作為未來的碳源。生產(chǎn)二氧化碳中性過程甚至是從大氣中去除二氧化碳并對氣候產(chǎn)生積極影響的過程將是一種極好的次要影響。

不過，我相信有很多方法可以阻止氣候變化。最簡單的開始是每天節(jié)約能源。我也認為我們可以利用和改善CO2固定的生物學(xué)。設(shè)計師的代謝途徑，每個CO2分子消耗更少的能量，或更快地從大氣中固定CO2，顯然代表了一種生產(chǎn)基于CO2的生物技術(shù)的有趣方法。

您目前的流程與應(yīng)用程序有多接近?

我們的工作主要還是純粹的基礎(chǔ)研究。我們成功地在試管中新建了一個基本的生命過程 - 將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有機物質(zhì) - 這是有史以來第一次。我們在試管中有效地產(chǎn)生了代謝器官。然而，將這種代謝器官移植到生物體中代表了完全不同的挑戰(zhàn)。

為什么移植到活細胞會面臨這樣的挑戰(zhàn)?

我們無法預(yù)測由17個反應(yīng)組成的循環(huán)如何在同時發(fā)生3,000種不同反應(yīng)的細胞中起作用。成功的移植顯然需要花費大量時間。馬克斯普朗克協(xié)會為我和我的集團提供了關(guān)注下一個復(fù)雜步驟的機會，但結(jié)果遠非確定。雖然我們的計算基本上表明我們的新路徑可以比植物中的天然代謝途徑以更節(jié)能的方式發(fā)揮作用，但我們必須在實驗中證明這一點。

開發(fā)合成代謝途徑最困難的方面是什么?

最大的困難是沒有設(shè)計繪圖板上的代謝途徑 - 只用了一兩個星期。但是，我們花了兩年多時間在實驗中實施理論循環(huán)。首先，我們必須找到循環(huán)的所有個體生物成分，酶，并將它們結(jié)合在一起。我們必須從超過5000萬個已知基因和40,000種酶中鑒定出少數(shù)潛在候選物，并單獨測試它們并與其他組分相互作用。

你有什么障礙，你最初無法進步嗎?

我們無法讓這個循環(huán)長時間工作。問題在于，一種酶最初只能使用化學(xué)試劑 - 一種精確的含鐵化合物 - 這使得其他酶絮凝，從而將它們從溶液中除去。我們首先必須轉(zhuǎn)換這種酶，將其用作與其他合作伙伴兼容的氧氣劑。

你在路上遇到了哪些其他問題?

第二個主要障礙是這個循環(huán)在開始時只能緩慢起作用并且很快就會動搖。這是由于反應(yīng)錯誤太多。我們最終發(fā)現(xiàn)乍一看似乎是一種非傳統(tǒng)的解決方案。我們只是在循環(huán)中添加了更多的酶。這些額外酶的任務(wù)只是糾正循環(huán)內(nèi)的反應(yīng)錯誤。作為生物學(xué)家，我們顯然對這些代謝矯正循環(huán)的關(guān)注太少，但它們在自然代謝中似乎也非常重要。

合成方法在生物學(xué)方面仍然相對較新。這種方法與其他生物學(xué)科的方法有何不同?

作為生物學(xué)家，這種合成方法對我們來說仍然不尋常。我們習(xí)慣于將生物系統(tǒng)分開并進行分析，但不是從頭開始構(gòu)建新系統(tǒng)。我們必須在幾個階段緩慢地找到方向，因為我們事先幾乎沒有任何合成系統(tǒng)設(shè)計規(guī)則。例如，我們首先必須找出哪些酶是相容的，以及在創(chuàng)建復(fù)雜的生物系統(tǒng)時我們需要考慮哪些因素。自然界可能分離線粒體，核糖體和其他細胞器中的細胞過程，因為它們必須在不同的環(huán)境中發(fā)生并且彼此不相容。我們?nèi)匀恍枰_定何時最佳時間是將生化反應(yīng)彼此分開。

合成生物學(xué)經(jīng)常因?qū)で髣?chuàng)造人造生命而受到批評。但是，你的工作是否也表明通常不是這樣?

我們不希望扮演上帝的角色。在我看來，創(chuàng)造一個人造的活細胞還有很長的路要走。首先，學(xué)習(xí)重新編程個人生活過程是一個更現(xiàn)實的目標，這是我們在Max Planck Society的MaxSynBio網(wǎng)絡(luò)上嘗試做的事情。例如，如果我們能夠開發(fā)一個能夠修復(fù)和維持自身的生物生產(chǎn)周期，那就太棒了。與純化學(xué)系統(tǒng)相比，生物系統(tǒng)通常在更溫和的條件下工作。通過尋求重建這樣的系統(tǒng)，我們提出了新的想法，因為我們看到許多酶在起作用。

合成生物學(xué)在哪些領(lǐng)域特別有用?

我認為我們甚至不能估計合成生物學(xué)的真正潛力。在這方面，我們或許應(yīng)該從化學(xué)中取得領(lǐng)導(dǎo)，這種化學(xué)在19世紀的過程中逐漸從分析學(xué)科發(fā)展成為綜合學(xué)科。這一轉(zhuǎn)變?yōu)槿碌牟牧虾退幬镤伷搅说缆贰Ｎ掖_信合成生物學(xué)可以取得類似的成就，但這種發(fā)展需要時間，我們必須首先了解如何構(gòu)建復(fù)雜的生物系統(tǒng)的基本原則。

還有哪些主要障礙需要克服?

生物系統(tǒng)通常非常復(fù)雜并且相互聯(lián)系很緊密，這使得復(fù)制它們并構(gòu)建新的非常困難。酶不僅是促進化學(xué)反應(yīng)的生物催化劑，而且還與其化學(xué)產(chǎn)品直接相關(guān)，因為該產(chǎn)品控制酶。一旦產(chǎn)生足夠的物質(zhì)，就會阻礙催化劑。在這方面，信息的功能和交換往往在生物系統(tǒng)中密切相關(guān)。

生物系統(tǒng)有其他特殊特征嗎?

生物系統(tǒng)與技術(shù)系統(tǒng)不同，因為它們能夠適應(yīng)和發(fā)展。然而，這也意味著生物系統(tǒng)并不完美。只是因為酶產(chǎn)生錯誤并催化二次反應(yīng)，才有機會開發(fā)新的功能。這有點像是錯誤地轉(zhuǎn)動你的自行車一次并發(fā)現(xiàn)一個捷徑回家。以完全相同的方式，酶也通過犯錯來開發(fā)新的，改進的途徑。

因此，為了使生物合成，我們必須了解如何將不完美，進化和復(fù)雜性整合到生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中。需要更多的基礎(chǔ)研究來理解基本規(guī)則。