使用可以将废二氧化碳转化为丙酮和异丙醇的转基因细菌，首次实现了两种商品化学品的工业规模负碳生产。随着世界努力从化石燃料转向循环碳经济，这项工作为制造其他化学品提供了蓝图，有望实现更可持续、可再生和环保的化学工业。
丙酮和异丙醇的总市值超过 100 亿美元(74 亿英镑)。它们被广泛用作工业溶剂和制造塑料，包括丙烯酸玻璃和聚丙烯。然而，它们依赖于化石燃料衍生的碳氢化合物，因此在生产过程中会产生大量的碳排放。
Michael Jewett在美国伊利诺伊州西北大学的实验室与位于同一州的碳捕获公司LanzaTech合作，利用合成生物学开发了首个可持续且可扩展的负碳方法来生产丙酮和异丙醇。“我们遇到了气候紧急情况，这一切都与大气中 CO2的不断释放和积累有关，”Jewett 说。“存在无碳、可再生能源生产的解决方案，但我们周围的大多数事物和日常产品都是基于从新鲜化石来源生产的碳氢化合物化学品。”
该团队的解决方案是对固碳细菌Clostridium autoethanogenum进行重新编程，该细菌自然发酵一氧化碳气体以获取能量，从而产生乙醇作为最终产品。LanzaTech 已经运营了两家商业工厂，这些工厂使用这种细菌将钢铁工业的排放物转化为乙醇。
为此，该团队从C. autoethanogenum的基因组中挖掘了能够从乙酰辅酶A(一种在新陈代谢过程中形成的常见中间体)产生丙酮或异丙醇的酶。然后将编码这些酶的基因引入并在不同的细菌菌株中进行测试，以优化丙酮和异丙醇的生产。
至关重要的是，研究人员使用了体外无细胞工具，使他们能够控制和研究生化反应，而不受活生物体中存在的其他复杂相互作用的干扰。这加快了发现和优化过程，将通常需要一年的时间变成了几周的时间。
该团队最终创建了一个流程，该流程一次以高速率运行数周。然后在一个 120 升的回路反应器中以工业规模进行试点，该反应器与来自钢铁厂的二氧化碳废物流相连。分析表明，在抵消过程中的碳排放后，该过程将每公斤最终产品分别锁定 1.79 公斤和 1.17 公斤的 CO2成丙酮和异丙醇。相比之下，化石燃料方法每公斤丙酮和异丙醇分别排放 2.55 公斤和 1.85 公斤二氧化碳。
“一个关键特征是可以使用与乙醇类似的技术分离丙酮和异丙醇，这使我们能够使用相同的 [LanzaTech] 工厂基础设施，并通过简单地改变微生物来在产品之间切换，”Jewett 解释道。“这是向化学工业的范式转变，在化学工业中，工厂通常是专门为某种产品建造的，生产不能轻易改变。”
“这一过程的环境效益可能非常显着，”英国爱丁堡大学研究化学制造微生物的斯蒂芬华莱士说。他对所取得的生产力和规模印象特别深刻。“由此产生的气体发酵的生命周期分析明显优于相应的石化过程，”他说。“这表明这种菌株可以在净负生物过程中有效地隔离 CO2以产生工业化学品，否则这些化学品将来自化石燃料。”
“这项技术与已建立的商业基础设施的整合将很简单，因为生物反应器和许多下游产品回收基础设施已经与产品兼容，”Jewett 说。“我们相信，这里开发的框架将为进一步开发负碳化学生产工艺提供蓝图，并有望重新定义生物制造的未来，以促进地球和社会健康。”
