氨基酸是蛋白质的基本组成单元，对所有生物体至关重要。由20种不同氨基酸构成的蛋白质承担多种生物功能。部分氨基酸可在人体内合成，另一些则需要通过食物摄取。

在商业应用中，氨基酸被生产并用于药品、膳食补充剂、化妆品、动物饲料及工业化学品等领域。相关制造过程通常能耗较高，并伴随温室气体排放、资源消耗与污染问题。

佐治亚理工学院研究团队近日公布一种替代性生产路径：基于无细胞系统的氨基酸合成方法。研究人员称，该方法具备商业可扩展性与环境可持续性，并可实现“碳负排放”，即消耗的碳量超过排放量。

研究团队表示，这一进展建立在其2024年提出的方法基础上，解决了提升效率与降低成本的关键问题：将系统效率提升至97%，并将生物工艺成本降低超过40%。研究称，这是迄今在合成生物学系统中，将二氧化碳当量转化为氨基酸的最高报告转化率。

相关论文发表于《ACS合成生物学》，题为《基于无细胞嗜热生物催化剂利用一碳底物合成氨基酸》，由生物工程博士生Ray Westenberg与Pamela Peralta-Yahya教授牵头。

Peralta-Yahya在声明中表示，这项工作旨在将重点从“减少碳排放”转向“消耗碳并创造价值”，并称团队利用低成本碳源，在碳负过程中构建关键成分，且该过程高效、有效并具备可扩展性。

研究团队介绍，此前他们已证明可利用细胞的“机械装置”而非活细胞本身，从二氧化碳合成氨基酸。但要实现商业可行，需要进一步提高系统效率并降低成本。

团队在优化过程中发现，体系中残留的细胞碎片会消耗起始原料，从而限制整体效率。为去除这些“背景机械装置”，研究人员尝试通过加热使其变性，以实现净化。

研究人员同时指出，加热可能对体系中必需组分造成影响。为此，团队引入由嗜热细菌Moorella thermoacetica产生的酶，以在加热净化过程中保护关键反应组件，并促使低效背景成分失活。

据研究结果，在引入相关酶并完成加热净化后，体系冷却至室温，丝氨酸和甘氨酸的合成产率提升至97%，接近团队此前系统的三倍。

在规模化应用方面，团队将降低成本作为另一重点。Peralta-Yahya表示，体系中成本较高的成分之一是辅因子四氢叶酸（THF），减少启动过程所需THF用量是提升商业可行性的路径之一。

研究团队通过将反应步骤串联，使一个步骤的废物成为下一步骤的燃料，设计出在体系内循环利用THF的方法，将所需THF量减少五倍，并使生物加工成本降低42%。

Peralta-Yahya称，成本下降与产率提升是推动该技术走向工业与制造业应用的关键一步，相关系统有望从实验室研究迈向连续化的工业规模生产。