设计下一代合成C1微生物的蓝图：非模式菌株的代谢工程与可持续生物制造新策略

为解决传统生物制造依赖糖类底物导致的粮食竞争和可持续性不足问题，研究人员聚焦非模式微生物的合成一碳（C1）同化策略，通过代谢建模、动态调控和组合途径设计，实现了甲醇和甲酸盐的高效转化，为碳中性生物经济提供了新范式。

　　

随着温室气体浓度持续升高，开发可持续的生物制造技术已成为全球焦点。传统生物过程依赖糖类底物（如葡萄糖），不仅与粮食生产竞争土地资源，还限制了碳循环经济的实现。一碳（C1）化合物（如甲醇、甲烷、甲酸盐和CO₂）因其来源广泛且可源自工业废气或CO₂转化，被视为下一代理想底物。然而，天然C1利用微生物（如甲基营养菌和乙酰菌）虽已在特定领域（如单细胞蛋白和合成气转化）实现商业化，但其遗传操作难度大、底物耐受性低，且代谢灵活性不足。因此，工程化非模式微生物（如Pseudomonas putida）以实现高效C1同化，成为突破现有瓶颈的关键。

本研究由丹麦技术大学诺和诺德基金会生物可持续性中心的Giusi Favoino、Oscar Puiggené和Pablo I. Nikel团队完成，发表于《Nature Communications》，系统提出了设计合成C1微生物的路线图，涵盖底物选择、宿主工程、动态调控和可持续性评估等多个维度。

关键技术方法

研究结合多组学分析（转录组、蛋白组、代谢组）、基因组尺度代谢模型（GSMM）和flux balance analysis（FBA）鉴定代谢瓶颈；利用天然C1诱导启动子（如甲醛感应系统FrmR-P_frm）实现动态调控；通过适应性实验室进化（ALE）优化菌株性能；采用生命周期评估（LCA）和技术经济分析（TEA）提前评估过程可持续性。

研究结果

1. 非模式微生物的宿主选择与工程化

研究强调非模式微生物（如P. putida）在C1同化中的优势：天然C1氧化能力、底物耐受性（如甲醛耐受达1-2 mM）和代谢灵活性。通过整合组学数据与代谢模型，发现宿主内源代谢与合成途径（如还原甘氨酸途径rGlyP）的交叉点可简化工程设计。例如，P. putida的PQQ依赖型甲醇脱氢酶（MeDHs）为甲醇利用提供了热力学优势，但需氧条件限制了其厌氧应用。

2. 动态调控与组合途径设计

静态启动子（如组成型表达）导致代谢失衡和中间体毒性（如甲醛积累）。研究建议采用C1感应启动子（如甲醇诱导的AOX1启动子）实现动态调控，以减少能量浪费和毒性压力。此外，组合多种同化途径（如rGlyP与丝氨酸循环协同）可增强碳通量和鲁棒性。实验证明，工程化rGlyP和RuMP循环在Cupriavidus necator和Escherichia coli中实现了接近天然甲基营养菌的生长速率。

3. 可持续性与经济性评估

通过LCA和TEA比较不同底物（甲醇、甲酸盐、葡萄糖）的环境影响和经济性。甲醇因水溶性高、碳足迹低（模拟显示CO₂排放最低）成为最优选择，而甲酸盐因高氧化态需大量catabolized产能，导致CO₂再排放。研究强调，早期整合可持续性评估可避免工业放大后的可行性风险。

4. 厌氧与好氧系统的整合

厌氧途径（如Wood-Ljungdahl途径）虽能高效转化C1底物，但依赖氧敏感酶（如CO脱氢酶），限制了好氧宿主的应用。研究展示了通过工程化呼吸模块（如调控NAD(P)⁺/醌氧化还原酶）在好氧条件下实现发酵代谢的案例，例如E. coli在富氧环境中生产丁醇。

结论与意义

该研究为合成C1微生物的设计提供了系统性框架，强调非模式宿主的潜力、动态调控的必要性以及多途径组合的优势。通过整合工程生物学与可持续性科学，团队证明了C1生物制造可实现碳负性（net carbon-negative）生产，即捕获CO₂的同时生成目标化合物。这一策略不仅拓宽了微生物底物谱，还为循环碳经济提供了技术路径，尤其适用于高附加值化学品（如聚羟基丁酸酯PHB）的生产。未来，自动化生物铸造厂（biofoundries）和人工智能工具将加速宿主选择与途径优化，推动C1生物制造从实验室走向工业应用。