甲烷生物转化：迈向低碳生物经济的新策略

《National Science Review》：Biological conversion of methane to organic molecules: towards a low-carbon bioeconomy

本综述聚焦温室气体CH4的生物转化挑战，系统探讨了通过合成生物学、代谢工程等手段构建高效甲烷氧化菌细胞工厂的路径。研究梳理了三类甲烷氧化菌的代谢特性，优化了RuMP、丝氨酸和CBB三条CH4同化途径，并整合多组学与基因组尺度模型提升产物合成效率，为甲烷资源化利用提供了理论框架和技术支撑。

　　

随着全球温室效应日益加剧，甲烷（CH₄）作为温室效应潜力为CO₂84倍的强效温室气体，其排放控制已成为应对气候变化的焦点。尽管化学法可将CH₄转化为高值化学品，但存在高能耗、高成本及二次污染等问题。相比之下，甲烷氧化菌（Methanotrophs）能够以CH₄为唯一碳源和能源，通过生物转化途径合成单细胞蛋白（SCP）、生物塑料、有机酸等高值产物，兼具环境与经济效益。然而，CH₄溶解度低、代谢网络复杂、遗传工具匮乏等问题严重限制了其产业化进程。为此，研究人员系统综述了甲烷生物转化领域的最新进展，相关成果发表于《National Science Review》。

研究通过整合合成生物学、代谢工程与系统生物学策略，构建了高效CH₄同化细胞工厂的开发框架。关键技术包括：基于CRISPR/Cas9和Cre-lox系统的基因编辑工具优化、甲烷单加氧酶（MMO）活性调控、多组学（转录组、蛋白组、代谢组）驱动下的代谢网络分析，以及基因组尺度代谢模型（GEM）指导的途径设计。此外，通过适应性实验室进化（ALE）和共培养策略提升了菌株耐受性与产物合成能力。

微生物宿主用于甲烷利用

研究将甲烷氧化菌分为三类：Ⅰ型（γ-变形菌门）以核酮糖单磷酸（RuMP）途径为主，生长快但需高氧环境；Ⅱ型（α-变形菌门）依赖丝氨酸循环，可适应低氧条件但能耗高；Ⅲ型（疣微菌门）通过卡尔文循环（CBB）固碳，耐受极端环境。通过比较其遗传可操作性、产物谱系及工业适用性，为宿主选择提供理论依据。

甲烷利用的微生物途径

CH₄氧化途径依赖可溶性（sMMO）或颗粒性甲烷单加氧酶（pMMO）将CH₄转化为甲醇，进而生成甲醛、甲酸和CO₂。同化途径包括RuMP途径（碳固定效率高）、丝氨酸循环（需大量ATP和还原力）和CBB途径（固碳效率低但适用于自养菌）。研究指出，通过定向进化关键酶（如Rubisco）和重构碳流分配可提升途径效率。

甲烷利用的微生物工程策略

通过开发诱导型启动子（如P_tetR）、广宿主质粒载体（如pAWP89）及接合转移/电穿孔技术，实现了外源基因在甲烷氧化菌中的高效表达。利用CRISPR/Cas9系统敲除竞争途径基因（如糖原合成酶glgA），并结合GEM预测（如iMsOB3b模型）优化了2,3-丁二醇、乳酸等产物的合成通量。适应性实验室进化（ALE）筛选出耐受乳酸的甲基单胞菌（Methylomonas sp. DH-1），产量提升至1.19 g/L。

甲烷微生物生产有机分子

甲烷氧化菌可合成多种高值产物：①有机酸如乳酸（0.8 g/L）、粘康酸（2.8 mg/g CH₄）；②单细胞蛋白（M. capsulatus Bath蛋白含量达70%）；③生物材料如聚羟基丁酸酯（PHB）占细胞干重52.5%；④生物燃料如2,3-丁二醇（86.2 mg/L）和微生物油脂（合成速率45.4 mg/L/h）；⑤天然产物如尸胺（283.63 mg/L）和虾青素（2.4 mg/g DCW）。

研究结论表明，通过多学科交叉策略可系统性突破CH₄生物转化的技术瓶颈。未来需重点攻关MMO异源表达、气体传质强化及工艺经济性评估，以推动甲烷生物制造在低碳经济中的规模化应用。该研究为温室气体资源化提供了创新范式，对实现碳中和目标具有重要战略意义。

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