麵包師對麵糰進行發酵以製作出口感良好的麵包。同樣，釀酒師通過對小麥和大麥的發酵來獲得一杯光滑的麥芽啤酒。而作為自然界最重要的麵包師和釀酒師，一些微生物甚至可以做得更多。事實上，某些種類的細菌通過發酵二氧化碳氣體來製造它們自己選擇的營養物質。這可以被用來幫助為我們的世界提供能量。
這種非凡的能力–將二氧化碳發酵成化學能源–對於研究細菌中細微而複雜的化學反應的科學家來說並不陌生。其中包括美國國家可再生能源實驗(NREL)的研究員Wei Xiong，他稱氣體發酵細菌提供了將二氧化碳等廢氣轉化為可持續燃料的經驗。
“CO2的清除和轉化是全世界關注的問題，因為CO2是大氣中最重要的熱捕集（溫室）氣體。CO2固定的途徑是一個關鍵問題，”Xiong說道，“我們對在細菌中設計新的二氧化碳固定途徑特別感興趣以幫助它們合成關鍵的生物燃料前體如乙酰輔酶A(acetyl-CoA)。”
乙酰輔酶A是製造多種燃料化學品的主要成分，包括脂肪酸、異丙醇和丁醇。目前，Xiong和他的同事已經證明了如何利用氣體發酵細菌中的一條新途徑來改進燃料前體的生產。通過這種方式，他們為在工業規模上使用生物方法來捕獲和轉化二氧化碳提供了可能性。
簡單的碳會計：C1 + C1 = C2
細菌的氣體發酵遵循一系列線性反應，科學家們稱之為Wood-Ljungdahl途徑。這是以Harland G. Wood和Lars G. Ljungdahl教授命名的，他們在20世紀80年代發現了這一途徑。簡單地說，酶利用附近的氫氣或一氧化碳氣體的電能將CO2從其碳中剝離。然後，它們將這些單碳原子（C1）中的兩個貼在細菌中已經存在的一個較大的分子上，其被稱為輔酶A（CoA）。通過將兩個碳柄（C2）附着在這個輔助分子上，它們變得更容易用於其他反應。
最後的結果是什麼？乙酰輔酶A，這是一種能量和碳密度更高的分子，可以支持細菌的生長。另外，它還是製造有價值的、氣候友好型生物燃料的一個方便的前體。
然而儘管它非常聰明，但僅靠Wood-Ljungdahl的途徑可能還不足以用於工業用途。此外，其看似簡單的數學運算（C1 + C1 = C2）實際上是一個令人眼花繚亂的化學反應的結果。“由於酶的複雜性，設計這一途徑以提高效率是具有挑戰性的，”Xiong說道。
為了避免直接改進Wood-Ljungdahl途徑，研究人員開始構思一條全新的乙酰CoA製造途徑。通過利用NREL開發的名為PathParser的計算機模型和最先進的遺傳工具，研究小組在一種名為Ljungdahlii梭菌的氣體發酵細菌中發明了一種新的二氧化碳固定途徑。
最後，數學計算結果是一樣的：C1 + C1 = C2。
但為了達到這個目的，這當中包含了一對平行的反應–一輛有兩個輪子的固碳自行車，它們被用來共同捕捉二氧化碳，然後利用一系列的化學齒輪將其轉化並重新定向以推動乙酰輔酶A的生成。如果添加到氣體發酵細菌中，那麼該途徑可以補充Wood-Ljungdahl途徑從而更有效地產生乙酰輔酶A。
我們能通過發酵實現碳中和嗎？
現在並不缺乏廢氣，而且在未來很長一段時間內，這可能仍是事實。重工業每年釋放出數百萬噸的二氧化碳–提煉生物燃料、製造鋼鐵或攪拌混凝土的副產品。科學家們正在探索在二氧化碳進入大氣層之前就對其進行捕捉和儲存–最好是利用–的技術。
“在全球變暖和氣候變化的背景下，科學家們從微生物代謝中尋求新的解決方案，從而將二氧化碳轉化為燃料和化學品。氣體發酵細菌實際上固定了二氧化碳，這代表了一種滿足我們的能源和環境需求的負碳方式，”Xiong說道。