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实现CO2的资源化利用，即将大量亟待处理的温室气体CO2转化为燃料或化学品，是同时解决化石能源枯竭和消除温室效应这两大问题的有效途径之一。近五年自养生物将CO2转化为化学品和生物能源的研究已经取得了很大的成果，但却存在生长慢、化学品产速率低的问题。异养生物生长速度快，且在多种化学品的生物制造方面表现出工业化应用的潜力。因此利用异养生物固碳，可为化学品的生产提供额外的碳架来源，是一个有益的探索。近期有文献报道在大肠杆菌细胞内实现二氧化碳内循环，及在酵母细胞中引入部分卡尔文循环提高乙醇得率等异养生物固碳的工作，虽然证明了异养生物固碳的可行性，但仍然无法回答异养生物究竟能够固定多少碳到其中心碳代谢途径中，异养生物固碳的限速步骤是什么，以及异养生物的固碳速率能否和自养生物的相比等一系列问题。 为了解决这些问题，本研究首先将蓝细菌的部分卡尔文循环引入到大肠杆菌中，在大肠杆菌碳中心代谢途径的基础上构建了一条固定CO2的旁路。随后我们开发了一个基于LC-MS/MS的计算代谢通量指标的方法，来对异养生物固碳的代谢通量进行相对定量。经计算，上述大肠杆菌中固碳途径的CO2代谢通量是其中心碳代谢通量的13％。而在此基础上过表达蓝细菌的碳酐酶来模拟蓝细菌的碳浓缩机制后，其CO2代谢通量增至其中心碳代谢通量的17％。该结果表明胞内CO2供给是异养生物固碳的限制性因素之一。通过碳平衡计算，过表达碳酐酶的大肠杆菌的绝对固碳速率达到19.6 mg CO2 L-1 h-1或22.5 mg CO2 g DCW-1 h-1。这与14种自养生物的固碳速率相当(10.5-147.0 mg CO2 L-1 h-1或3.5-23.7 mg CO2 g DCW-1 h-1)，表明异养生物固碳具有较强的潜力。 为了进一步提高异养生物的固碳速率，我们尝试更换更高效的生物固碳核心元件——核酮糖1，5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)。Rubisco是光合生物固定CO2的限速酶，且具有结构复杂、功能混杂的特点。因此二十多年来旨在提高其对CO2羧化能力和对CO2/O2选择性的分子改造一直收效甚微。本研究对比了数十种不同来源的Rubisco的酶学性质，最终以高CO2催化效率、高CO2/O2选择性为条件，选择出黄顶菊(Flaveria trinervia)、玉米(Zea mays)、补血草(Limonium gibertii)、菠菜(Spinacia oleracea)拟南芥(Arabidopsis thaliana)、温泉红藻(Galdieriasulfuraria)这6种真核来源的Rubisco。他们的CO2催化效率以及CO2/O2选择性，分别比现在使用的蓝细菌来源的Rubisco高4-10倍以及1-3倍，是更高效的异养生物固碳元件。然而迄今为止尚无一例真核来源的Rubisco在原核生物中成功表达并组装正确的报道。 为了解决这一问题，本研究采用12℃低温表达的策略，并辅以共表达十种真核来源的伴侣蛋白或Rubisco特异的折叠组装因子（分别为Synechococcus sp.PCC7002的分子伴侣RbcX、Arabidopsis thaliana的RbcX1、RbcX2、BSD2、RAF1、RAF2,Zea mays的BSD2、RAF1,Oryza sativa的RAF1，Thiomonas intermedia K12的acRAF)，最终成功实现黄顶菊、补血草、拟南芥来源的Rubisco在大肠杆菌中的可溶表达。为后续构建更高效固碳的大肠杆菌打下基础。研究结果还表明，同一来源的伴侣蛋白通常能促进它自身来源的Rubisco在大肠杆菌的表达。这为研究更多真核Rubisco的原核表达问题提供了研究思路，也为在原核生物中进行植物Rubisco的分子改造从而提高农作物产量创造了便利条件。