近日，上海交通大学中英国际低碳学院、绿色造纸与资源循环全国重点实验室何道平副教授在国际知名期刊《Nature Communications》上发表题为“Metallic molybdenum sulfide catalyses protometabolic carbon dioxide reaction networks under extreme conditions”的研究论文。该研究通过模拟地球深部极端环境，成功构建出以二氧化碳为碳源的前生命代谢反应网络，实现了从无机物到复杂有机代谢系统的自组织演化。论文第一作者为博士研究生陈鹏飞（原低碳学院硕士生），通讯作者为低碳学院何道平副教授、环境科学与工程学院杨阳副研究员以及金放鸣教授。上海交通大学为论文第一完成单位。

深部热液系统为CO₂非生物还原提供了独特的前生命化学环境，正成为CO₂资源化研究的新热点。深海与深地探测表明，地球深部存在一个不依赖太阳辐射的自主运作生物圈，其能量来源主要由碱性热液系统驱动。该系统具备高温、高压、富氢等极端化学条件，为CO₂的非光合作用固碳提供了理想反应介质。碱性热液固碳不仅是某些油气资源的非生物成因，也被认为是生命起源前可能存在的化能合成环境。然而，当前对深部热液CO₂转化的理解仍处于初步阶段。现有研究多聚焦于单一反应路径或特定催化剂的性能，缺乏对多路径、多组分、动态耦合的碳反应网络的系统性探索。尤其是在模拟前生命条件下，如何通过非酶催化实现复杂有机分子的定向合成，以及如何构建具有自组织、自催化特征的碳代谢网络，仍是亟待突破的关键科学问题，对理解生物地球化学循环的多样性、稳定性以及全球气候变化系统的演化机制具有深远意义。

图1. 金属相硫化钼催化CO₂还原反应网络示意图

基于固碳酶中Mo-S₂-蝶呤扭曲活性位点的配位结构与催化机制，成功合成出具有类似扭曲构型的金属相硫化钼矿物。在模拟自然热液环境条件下，该矿物能够直接催化CO₂还原生成32种代谢中间体与终产物，其中包括五种关键的通用代谢前体：乙酸、丙酮酸、草酰乙酸、琥珀酸和α-酮戊二酸。反应体系涵盖还原性三羧酸循环（rTCA）11种产物中的7种、3-羟基丙酸/4-羟基丁酸循环（3HP-4HB）途径13种产物中的9种、二羧酸/4-羟基丁酸循环（DC-4HB）途径11种产物中的9种、乙醛酸循环9种中间体中的6种，以及完整乙酰辅酶A（Acetyl-CoA）与乙基丙二酰辅酶A循环（EMCP）途径的所有中间体。多碳羧酸产物在反应时间维度上呈现出周期性振荡分布的特征，表现出类似自然界碳循环中自催化网络的动态行为。这一产物的多样性、路径覆盖的完整性及功能上的高度相关性显著超越了以往通过非酶促或人工催化体系构建碳循环反应网络的研究成果。

原位光谱分析与理论计算研究表明，具有硫空位的金属相硫化钼能够有效抑制CH_x前驱体CO的甲酸化路径（CO + OH⁻ → HCOO⁻），转而促进其向活性自由基的转化（CO_ads → CH_x• → CH_xCO•），并显著增强其在水溶液中的吸附能力与耦合反应活性。这一调控机制显著提升了CO₂的转化效率，实现高达68.6%的CO₂转化率和74.5%的C₂₊产物选择性，性能优于此前报道的CO₂/NaHCO₃热催化体系。

图2. 热液喷口系统中过渡金属硫化物催化二氧化碳还原的反应网络模型

本研究在非酶体系中成功构建了多维动态碳代谢网络，不仅为实现“双碳”目标、发展未来能源技术、推动合成生物学进步以及拓展深海与太空极端环境下的有机合成方法提供了重要的理论基础，同时也为揭示生命起源过程中代谢系统形成的地质化学机制提供了关键线索。

作者介绍

何道平，上海交通大学中英国际低碳学院副教授，国家及上海市海外高层次青年人才。主要从事二氧化碳高值化利用、低碳脱硝技术开发以及废弃生物质循环赋能等领域的研究工作。主持国家及上海市自然科学基金科研项目，以第一/通讯作者在Nature Chemistry、Nature Catalysis、PNAS（2）、JACS（2）、Nature Communications（2）等国际权威期刊发表多篇高水平学术论文。担任国际期刊Carbon Neutrality青年编委及Energy Science & Engineering早期职业顾问委员会成员。曾获International Center for Deep Life Investigation “2021 IC-DLI Deep Life Paper” Award、World Premier International Research Center Initiative Director’s Achievement Award，上海交通大学“十大科技进展“。

论文原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-69255-w