目前大氣中的二氧化碳,主要是經由植物行光合作用轉化為有機化合物,此過程稱為「固碳」(carbon fixation),是目前空氣中捕碳最有效的方式,但是其速度仍不夠快。本院廖俊智院長費時7年,與團隊成功打造人工固碳循環,超越植物光合作用的效率,且能將二氧化碳轉化為再利用的化學品。研究成果已於本(2022)年2月發表於著名國際期刊《自然催化》(Nature Catalysis)。

廖院長表示,這是人類史上第二次創造出與自然界不同的固碳循環,此循環可在實驗室反應器中維持6小時,為目前人工固碳效率最高的方法。

人工固碳途徑示意圖

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(註一)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

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


(註一)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。