Many industrial chemicals that are produced from fossil resources could be manufactured more sustainably through fermentation. Here we describe the development of a carbon-negative fermentation route to producing the industrially important chemicals acetone and isopropanol from abundant, low-cost waste gas feedstocks, such as industrial emissions and syngas. Using a combinatorial pathway library approach, we first mined a historical industrial strain collection for superior enzymes that we used to engineer the autotrophic acetogen Clostridium autoethanogenum. Next, we used omics analysis, kinetic modeling and cell-free prototyping to optimize flux. Finally, we scaled-up our optimized strains for continuous production at rates of up to ~3 g/L/h and ~90% selectivity. Life cycle analysis confirmed a negative carbon footprint for the products. Unlike traditional production processes, which result in release of greenhouse gases, our process fixes carbon. These results show that engineered acetogens enable sustainable, high-efficiency, high-selectivity chemicals production. We expect that our approach can be readily adapted to a wide range of commodity chemicals.

Microbial cell factories offer an attractive approach for production of biobased products. Unfortunately, designing, building, and optimizing biosynthetic pathways remains a complex challenge, especially for industrially-relevant, non-model organisms. To address this challenge, we describe a platform for in vitro Prototyping and Rapid Optimization of Biosynthetic Enzymes (iPROBE). In iPROBE, cell lysates are enriched with biosynthetic enzymes by cell-free protein synthesis and then metabolic pathways are assembled in a mix-and-match fashion to assess pathway performance. We demonstrate iPROBE with two examples. First, we tested and ranked 54 different pathways for 3-hydroxybutyrate production, improving in vivo production in Clostridium by 20-fold to 14.63 ± 0.48 g/L and identifying a new biosynthetic route to (S) -(+)-1,3-butanediol. Second, we used iPROBE and data-driven design to optimize a 6-step n -butanol pathway, increasing titers 4-fold across 205 pathways, and showed strong correlation between cell-free and cellular performance. We expect iPROBE to accelerate design-build-test cycles for industrial biotechnology.