The use of gas fermentation for the production of low carbon biofuels such as ethanol or butanol from lignocellulosic biomass is an area currently undergoing intensive research and development, with the first commercial units expected to commence operation in the near future. In this process, biomass is first converted into carbon monoxide (CO) and hydrogen (H2)-rich synthesis gas (syngas) via gasification, and subsequently fermented to hydrocarbons by acetogenic bacteria. Several studies have been performed over the last few years to optimise both biomass gasification and syngas fermentation with significant progress being reported in both areas. While challenges associated with the scale-up and operation of this novel process remain, this strategy offers numerous advantages compared with established fermentation and purely thermochemical approaches to biofuel production in terms of feedstock flexibility and production cost. In recent times, metabolic engineering and synthetic biology techniques have been applied to gas fermenting organisms, paving the way for gases to be used as the feedstock for the commercial production of increasingly energy dense fuels and more valuable chemicals.

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.