自然的生物固碳过程为地球生命提供了赖以生存的有机碳储备，是维系生态系统和人类社会可持续运转的基石。提升卡尔文循环效率，或开发高效替代固碳途径，已成为双碳目标背景下的紧迫课题。然而，天然卡尔文循环遭遇进化瓶颈，人工固碳途径开发仍处于起步阶段，难以满足提高自然产能或支撑合成生物制造的需求。

为应对这一挑战，中国科学院天津工业生物技术研究所张燕飞研究员、赵国屏院士研究团队提出了一条全新的人工固碳途径——LATCH。LATCH包含10个完全已知的酶促步骤，每循环可将两分子HCO₃⁻转化为一分子Acetyl-CoA，所需能量形式仅为ATP和NADPH。动力学和热力学建模分析显示，其为线性自催化循环结构，无动力学陷阱或热力学障碍，具有高度可行性和持续开发价值，可为光合微生物、植物及工程化细胞工厂等体系的效率提升提供新的思路。

在亲本模块的选择上，研究团队首先参考了Hong Yu和James C. Liao等人围绕丝氨酸循环（图1a）开展的系列工作，该团队设计了改良版本的丝氨酸循环，简化途径结构的同时，绕开了羟基丙酮酸参与的低效环节，实现了途径在异源宿主大肠杆菌中的功能发挥（图1b）；该团队还将丝氨酸循环中氨基酸脱氨和转氨步骤替换为脱羧过程，形成了摆脱甲酸依赖的MCG循环（图1c），其可将卡尔文循环和糖酵解等过程产生的甘油酸3-磷酸进一步以负碳模式转化为Acetyl-CoA。研究还参考了Arren Bar-Even和Tobias J. Erb两个团队为回收Rubisco副产物乙醇酸-2磷酸开发的系列光呼吸旁路，其中TaCo模块因包含了一个人工羧化反应，理论最大得率高达150%。本研究发现通过引入乙醛酸还原酶这一关键步骤，来发挥“分子门闩（latch）”作用，可实现天然丝氨酸循环与人工羧化模块TaCo的重组，并产生功能质变：由依赖有机底物的两类亲本模块，转化为完全的固碳循环（图1d）。

基于模块整合形成的LATCH循环（图2），其总反应式为：2 HCO₃⁻ + 4 NAD(P)H + 4 ATP + CoA → Acetyl-CoA + 4 NAD(P)⁺ + 3 ADP + 3 Pi + AMP + PPi + H₂O。动力学分析表明，该途径为线性自催化循环，理论上可避免动力学陷阱的同时，免去对复杂调控关系的建立需求。此外，途径中有8个步骤均可得到ATP、还原力或高能底物的热力学助力，其余两个裂解酶催化的过程同样不构成热力学瓶颈。上述计量学、动力学和热力学层面的内在优势，为LATCH的持续开发与应用拓展奠定了坚实基础。用于途径评估的模型文件详见GitHub（https://github.com/yangxue1204/LATCH）。

本研究得到了中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金青年项目、天津市合成生物技术创新能力提升项目以及中国科学院天津工业生物技术研究所竞争性支持项目的资助，研究成果在Green Carbon期刊上发表。中国科学院天津工业生物技术研究所杨雪副研究员为论文第一作者，杨雪副研究员、张燕飞研究员和中国科学院分子植物科学卓越创新中心的赵国屏院士为论文共同通讯作者。

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图1. 丝氨酸循环、其衍生途径及与TaCo模块的重组方式

图2. 新型人工固碳途径LATCH循环