CO2からの航空燃料前駆体の効率的なバイオ製造を可能にする炭素とエネルギーフラックスの時空間的デカップリング

Unofficial AI-generated summary based on the public title and abstract. Not an official translation.

🔬研究者:Researchers in synthetic biology and CCU should note the spatiotemporal decoupling strategy that overcomes the carbon-efficiency bottleneck in photobiohybrid systems.

🏢実務担当者:Biofuel companies can explore this approach for scalable production of aviation fuel precursors from CO2, though further development is needed.

🏛政策担当者:Policymakers supporting carbon recycling and sustainable aviation fuel should consider funding advanced CCU technologies like this.

CO₂からの高価値・構造複雑な化学物質の持続可能なバイオものづくりは、カーボンニュートラル実現の最前線である一方、光バイオハイブリッド系に内在するトレードオフ、すなわち固定炭素の異化酸化を細胞内還元力の再生に利用せざるを得ず、光合成固定された炭素をCO₂へ再酸化する無駄なサイクルを生み出し、全体の炭素原子効率を損なうという制約に根本的に縛られている。このボトルネックを克服するには、炭素基質の供給と還元当量の再生を同時に行い、同化フラックスを最大化できる統合プラットフォームが必要である。本稿では、「細胞外固定と細胞内賦活化」戦略により炭素効率的なCO₂変換を達成する、時空間的に分離された光バイオハイブリッド系を報告する。原子分散したFe–N₄活性サイトを特徴とする、窒素ドープ炭素量子ドットに担持された鉄単原子の二機能触媒（Fe-NC QDs）を開発した。細胞外では、Fe-NC QDsがCO₂のメタノールへの還元を、826.10 μmol·g^–1·h^–1の生成速度と91.33%の選択性で触媒する。細胞内では、同じQDsが改変ピキア・パストリスに取り込まれ、フラビン媒介電子伝達鎖を介してNADHを光触媒的に再生する。この二機能触媒を人工ホスホケトラーゼ経路と組み合わせることで、CO₂をC15航空燃料前駆体であるエピイソジザエンへ直接変換し、その力価は1.98 mg·L^–1に達し、従来のメタノール供給戦略と比較して生成物力価が3倍に増加した。炭素供給とエネルギー再生を時空間的に分離することにより、本研究成果は複雑な多炭素原料の太陽光駆動生合成のための一般化可能な枠組みを確立し、循環型バイオエコノミーの発展を促進する。

AI 翻訳（deepseek-v4-flash）。 正確を期す場合は下の原文を参照してください。

Sustainable biomanufacturing of high-value, structurally complex chemicals directly from CO₂ represents a frontier for carbon neutrality yet remains fundamentally constrained by a trade-off intrinsic to photobiohybrid systems: catabolic oxidation of fixed carbon must be invoked to regenerate intracellular reducing power, creating a futile cycle that reoxidizes photosynthetically fixed carbon back to CO₂ and erodes the overall carbon atom economy. Overcoming this bottleneck requires a unified platform capable of simultaneously supplying carbon substrates and regenerating reducing equivalents to maximize anabolic flux. Here, we report a spatiotemporally decoupled photobiohybrid system that achieves carbon-efficient CO₂ conversion through an “extracellular fixation and intracellular empowerment” strategy. A bifunctional catalyst of iron single atoms anchored on nitrogen-doped carbon quantum dots (Fe-NC QDs), featuring atomically dispersed Fe–N₄ active sites, was developed. Extracellularly, the Fe-NC QDs catalyze CO₂ reduction to methanol with a production rate of 826.10 μmol·g^–1·h^–1 and 91.33% selectivity; intracellularly, the same QDs are internalized by engineered Pichia pastoris and photocatalytically regenerate NADH through a flavin-mediated electron transport chain. Coupling this bifunctional catalyst with an artificial phosphoketolase pathway enables the direct conversion of CO₂ into the C15 aviation fuel precursor epi-isozizaene at a titer of 1.98 mg·L^–1, corresponding to a 3-fold increase in product titer over conventional methanol-feeding strategies. By spatiotemporally decoupling carbon supply from energy regeneration, this work establishes a generalizable framework for solar-driven biosynthesis of complex multicarbon feedstocks and advances the development of a circular bioeconomy.

• openalex https://figshare.com/articles/journal_contribution/Spatiotemporal_Decoupling_of_Carbon_and_Energy_Flux_Enables_Efficient_Biomanufacturing_of_Aviation_Fuel_Precursors_from_CO_sub_2_sub_/32567345first seen 2026-06-26 04:54:09