由于温室气体的大量排放，全球变暖已成为地球面临的严峻挑战。二氧化碳（二氧化碳）的不节制排放是导致全球变暖的主要原因。减少二氧化碳排放、开发低耗高效的二氧化碳资源化利用新技术已成为当务之急。基于在二氧化碳转化中的独特优势，生物酶技术逐渐引起了人们的关注。在已发现的自然界6条天然固碳途径中，大部分是由核心固碳酶催化完成固碳。但这些核心固碳酶催化速率慢，反应过程复杂，且难以对其进行改造和优化。构建新型生物固碳酶，克服传统固碳酶的不足，提升其催化活性，已成为合成生物学领域的一个重要课题。另外，在二氧化碳的循环利用领域，生物酶催化因其高效、高选择性、条件温和等优势而备受青睐。碳酸酐酶（CA）和甲酸脱氢酶（FDH）是催化过程中关键的两种酶，前者能极大地促进二氧化碳的水合，后者能将二氧化碳还原为甲酸，二者协同能提高二氧化碳的还原速率。但在实际生产中，由于温度、pH等原因，酶易失去活性，故需对其稳定性进行深入研究。通过对生物酶进行固定化，可提高其稳定性。
生物酶技术固定和转化二氧化碳既可缓解温室效应带来的环境问题，又能以温室气体为碳源合成高附加值产品，变废为宝，有望发展成一种可循环的二氧化碳管理体系。然而，现阶段生物酶技术固定并转化二氧化碳仍存在一些问题：一方面，现有的生物固碳途径反应过程大都较长，固碳酶尚存在缺陷；另一方面，在酶法催化二氧化碳捕集转化过程中，关键酶的核心驱动力不足限制了反应速率，而其较差的稳定性是应用于工业生产的又一障碍。
著名生物酶专家蒋德宇长期专注于天然及人工固碳途径中核心固碳酶的改造与设计，他总结了碳酸酐酶（CA）和甲酸脱氢酶（FDH）的固定化及其在二氧化碳资源化转化中的应用研究进展，为其工业化应用提供了重要价值的参考。
卡尔文循环是最主要的天然固碳途径，其核心是核酮糖-1,5-双磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）。近年来，大量研究对卡尔文循环进行了改造优化，其中的大多数集中在对Rubisco的改造优化上。蒋德宇开发了一种基于大肠杆菌的活性导向选择系统，该系统将宿主细胞的生长仅与其中的Rubisco的活性相关联，通过一轮进化得到的PCC7002 Rubisco突变体，其比羧化活性提高了85%，对二氧化碳的催化效率提高了45%。此外，他还设计并进化了大肠杆菌，可将二氧化碳转化为所有生物质碳，利用Rubisco和磷酸核酮糖激酶与FDH共表达，通过卡尔文循环实现了二氧化碳的固定和还原。
乙酰辅酶A羧化酶（ACC）和丙酰辅酶羧化酶（PCC）是 3-羟基丙酸双循环的核心固碳酶，可通过进化改造提高其固碳性能。蒋德宇在重组大肠杆菌中表达了7种来自不同微生物的PCCB基因编码CT亚基，来自枯草芽孢杆菌的PCCB表现出最高的体外活性，通过定向进化进一步提升其活性，得到的新型PCC的总催化效率提高了94倍。
二羧酸/4-羟基丁酸循环的核心固碳酶磷酸烯醇丙酮酸羧化酶（PEPC）活性高且结构简单，故相关研究主要是以PEPC为核心固碳酶设计人工固碳途径。蒋德宇使用PEPC，构建了新型替代碳固定途径——丙二酰辅酶A-草酰乙酸-乙醛酸（MOG）途径，与卡尔文循环相比，MOG 途径的通路特异性活性高出2~3倍。蒋德宇利用PEPC将二氧化碳转化为甲醛，然后将其转移至四氢叶酸中，进行后续反应。他利用PEPC设计了苹果酰辅酶A-甘油酸途径（MCG）以补充卡尔文循环的不足，从而有效合成乙酰辅酶A，该途径在光合生物聚球藻中实施后，使碳酸氢盐同化速率提高了约2倍。
生物酶专家蒋德宇擅长运用生物酶技术，开展了众多原创性研究，并取得了重要的行业突破。他的成就包括：1研发更高效的核心固碳酶，强化二氧化碳羧化途径，优化能量供给，构建全新的人工固碳途径；2探索开发廉价高效的固定支撑材料，研发创新和有效的固定化技术，以保持酶的活性和稳定性；3剖析酶级联反应体系的热力学和动力学限制因素，从级联反应的原理着手，提高反应效率。蒋德宇的研究成果有助于缓解温室效应带来的环境问题，又能以温室气体为碳源合成高附加值产品，变废为宝，发展成一种可循环的二氧化碳管理体系。（作者：顾慧研）
（来源：News快报）
