合成微生物学开辟新路径：固定 CO2的创新代谢通路

《BIOspektrum》：Synthetische Mikrobiologie – ein neuer CO2-fixierender Stoffwechselweg

为解决 CO2固定代谢通路的问题，Tobias Erb 团队研究 LCM 模块，发现新通路，具生物技术应用潜力。

　　

合成微生物学新突破：创新 CO₂固定代谢通路

在当今时代，可持续生物技术的发展至关重要，而高效固定二氧化碳（CO₂）的合成代谢通路更是其中的关键一环。过往研究中，虽然已经开发出多种 CO₂固定的代谢通路，但它们或多或少存在一些问题。许多自然和合成的 CO₂固定代谢通路都会生成乙酰辅酶 A（Acetyl-CoA）这一关键中间产物。自然情况下，为了将 Acetyl-CoA 转化为其他细胞组成部分，会采用像乙醛酸循环这样的方式，但往往会产生 C4 化合物，比如草酰乙酸。若要进一步合成丙酮酸（Pyruvate）这种 C3 中间产物，草酰乙酸需要脱羧，这就导致之前固定的碳元素流失。另外，一些还原性的 CO₂同化途径，要么需要还原当量，要么包含对氧气敏感的酶，就像产乙酸细菌的 Wood-Ljungdahl 途径，这极大地限制了这些通路在实际中的应用。

为了解决这些问题，来自国外的 Tobias Erb 团队开展了深入研究。他们致力于探索新的 CO₂固定代谢通路，最终发现了 LCM 模块（Lactyl-CoA-Mutase 模块），这一成果发表在《BIOspektrum》上。这一发现意义重大，为可持续生物技术的发展提供了新的方向，有望推动生物技术领域的重大变革。

在这项研究中，研究人员用到的主要关键技术方法有：通过酶工程（Enzyme-Engineering）创造出自然界不存在的乳酸辅酶 A 变位酶（Lcm）；利用生长耦合选择和 eMutaT7 系统进行超突变（Hypermutation），将自然存在的依赖 B₁₂的 2 - 羟基异丁酰辅酶 A 变位酶转化为 Lcm。

研究结果如下：

1. LCM 模块代谢通路解析：LCM 模块是一种全新的合成代谢通路，能够在有氧条件下将 Acetyl-CoA 转化为 Pyruvate 以及其他 C3 中间产物。该模块由六个反应组成，先是将 Acetyl-CoA 羧化并转化为 C3 化合物 3 - 羟基丙酰辅酶 A，接着在 Lcm 的催化下转化为乳酸辅酶 A（Lactyl-CoA）。这一核心步骤在整个反应级联中起到限速作用。研究团队还在体外验证了从 Acetyl-CoA 到 Lactyl-CoA 的整个反应级联的功能性。
2. 关键酶的改造与优化：研究的核心是将自然存在的依赖 B₁₂的 2 - 羟基异丁酰辅酶 A 变位酶改造为 Lcm。通过生长耦合选择和 eMutaT7 系统超突变相结合的方法，新反应的活性（kcat/Km）已经提高了 10 倍，但对于生物技术应用来说，活性还需再提高两个数量级。

研究结论和讨论部分指出，LCM 模块作为一种全新的、可在有氧条件下固定 CO₂的代谢通路，为合成生物学和生物技术领域带来了新的希望。虽然目前关键酶的活性还需要进一步提升，但一旦达到生物技术应用的要求，就可以有多种具有巨大经济潜力的应用。例如，可用于发酵生产 3 - 羟基丙酸，它是丙烯酸的潜在前体；还能将 CO₂作为原料应用于生物技术生产过程中。这不仅有助于缓解温室气体排放问题，还能为生物产业提供新的原料来源，推动可持续生物技术的发展，在未来的生物制造、环境保护等领域具有不可估量的价值，为相关领域的研究和发展开辟了新的道路。