以人工固碳途徑突破光合作用限制

大自然光合作用有三大限制，首先，其所伴隨的固碳過程，是透過植物吸收陽光，以固碳酶（RuBisCO）來固定二氧化碳，並轉化為有機碳儲存在植物體內。但這種固碳酶會受到環境中氧氣影響，產生光呼吸（photorespiration）作用，降低固碳效率。此外，植物只在生長期有明顯固碳效果；且白天捕捉的二氧化碳，其中一半又經由夜晚的呼吸作用釋放出來，也讓固碳效率打折扣。

廖院長研究團隊、本院生物化學研究所林柏亨博士表示，團隊設計出一個比光合作用更有效率的人工固碳途徑。首先，為解決植物固碳酶也會與氧結合的問題，他們選取2種不受氧氣影響的固碳酶，再加上19個微生物酵素(酶)共同組合而成，排除「光呼吸」作用干擾。此外，此途徑只利用微生物體內的酶，而不使用整個微生物，故能不受植物細胞生長期限制與呼吸作用影響，打造高效的固碳效率。

負碳技術：不僅吸碳，還能儲存、轉化再利用

為解決日益嚴重的二氧化碳問題，除了要加緊佈建無碳再生能源之外，如何以負碳技術增加碳匯[1]將是達到2050年淨零碳排的關鍵。林柏亨說明，團隊所設計的人工固碳循環正是一種負碳技術，能進一步將二氧化碳轉換為可再利用的化學品，不但減少碳排，同時也可以增加碳匯。

本研究配合光學即時監控以及輔酶（ATP、NAD(P)H及FAD）再生，提供持續固碳的能量，不斷將二氧化碳轉化為多種常見的化學先驅物（acetyl-CoA、pyruvate及malate），可用來製造多種化學原料，取代石化產品或藥品、食品。

廖院長指出，此研究開創了新的反應器固碳途徑，可於室溫環境中進行，彈性運用於不同的場域；未來可配合電化學反應，以綠電達成碳再利用的負碳效果。

面對氣候變遷的嚴峻挑戰，廖院長運用合成生物學，創造出可持續固碳的人工碳循環路徑，陸續於《自然》（Nature）、《科學》（Science）、《細胞》（Cell）等頂尖期刊上，發表多篇成果；也於去（2021）年獲得以色列總理獎，表彰他在生質能源研究的重大突破。本次成果有助於負碳技術的發展，解決全球暖化問題。
 

本研究所需設備 皆為本院跨領域團隊協助打造

此技術從2014年著手開發，自2019年加入團隊的林柏亨回顧這幾年來的研發過程，認為本院跨領域資源的協助至關重要。研究團隊自己畫設計圖，請物理所機械工廠製作反應器，到應科中心團隊協助建置光學系統，有效監控輔酶再生。這些人員資源的投入，讓團隊費時7年後，終於完成此項突破性成果。

本論文共同第一作者為本院生化所林柏亨博士，通訊作者為廖俊智院長，研究成員包括本院應用科學研究中心陳祺助研究員及其團隊。

論文全文〈A cell-free self-replenishing CO₂-fixing system〉，網址：https://www.nature.com/articles/s41929-022-00746-x

[1] 碳匯（carbon sink）是能夠儲存碳化合物（特別是二氧化碳）的天然或人工「倉庫」，例如森林、土壤、海洋等。

▲人工固碳途徑示意圖

▲上圖是反應器及光學設備等，皆為本院跨領域團隊（物理所、應科中心）協助打造

資料來源: 中央研究院