中央研究院於3月7日宣布，由院長廖俊智帶領研究團隊成功利用合成生物學，開發出人工固碳循環技術，可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。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。該研究成果已於今年(2022)2月發表於著名國際期刊《自然催化》（Nature Catalysis）。
 
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。
 
大自然植物光合作用有三大限制：

1. 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，因而降低固碳效率。
2. 植物只在生長期有明顯固碳效果；
3. 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。 

以人工固碳途徑突破光合作用限制
 
因此，該研究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
 
同時，團隊所設計的人工固碳循環是一種負碳技術，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，既解決日益嚴重的二氧化碳問題，也可擴及無碳再生能源衍生商品。
 
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。
 
該技術研究成果，係中研院跨領域資源整合典範，由研究團隊先自行畫設計圖，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。歷時7年，終完成此項突破性成果。
 
[註] 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。(904字；圖1)
 

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

參考資料：
比光合作用更快！中研院設計人工固碳循環 有助負碳技術研發。中央研究院，2022/3/7。