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Spatiotemporal Decouplingof Carbon and Energy FluxEnables Efficient Biomanufacturing of Aviation Fuel Precursors fromCO2

生物制造 碳纤维 解耦(概率) 双功能 纳米技术 固碳 材料科学 化学 催化作用 碳中和 碳捕获和储存(时间表) 歧化 碳足迹 碳通量
作者
Yang Ye,Feng Dong (142012),边祥海,Dazhi Bai,Wenhui Wu,Xiaojing Jiang,Bin Yang (103252),Yang Hou (378690),Lecheng Lei (1645309),Jiazhang Lian,Zhongjian Li (1645306)
出处
期刊: [Figshare (United Kingdom)]
标识
DOI:10.1021/jacs.6c04185.s001
摘要

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.
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