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为提升甲基单胞菌（Methylomonas sp. ）DH-1 从甲烷生产 D - 乳酸（D-LA）能力，研究人员优化代谢途径，提高了产量和生产力，意义重大。
从甲烷到 D - 乳酸：微生物代谢工程的创新之旅
在当今资源与环境问题日益严峻的时代，寻找可持续的生物制造途径成为科研领域的热门话题。甲烷，作为一种储量丰富且成本低廉的碳源，犹如一座等待开采的宝藏，吸引着众多科研人员的目光。它不仅广泛存在于天然气、页岩气和沼气等资源中，还能通过生物转化的方式，为生产高附加值的化学品提供可能。
然而，将甲烷转化为有价值的化学品并非易事。在生物转化领域，利用甲烷作为碳源的微生物 —— 甲烷氧化菌（methanotrophs），虽然潜力巨大，但面临着诸多挑战。传统的微生物发酵多以糖类为原料，相比之下，甲烷氧化菌的研究尚处于起步阶段。在利用甲烷生产化学品的过程中，产物的产量和效率一直不尽人意。就拿 D - 乳酸（D-LA）来说，它是合成生物可降解塑料聚乳酸（PLA）的重要单体，市场前景广阔。但以往利用甲烷生产 D-LA 时，菌株的耐受性差，乳酸在细胞内积累产生的毒性严重限制了产量的提升。
为了解决这些难题，来自首尔国立大学、韩国能源研究所等机构的研究人员展开了深入研究。他们以甲基单胞菌（Methylomonas sp. ）DH-1 为研究对象，通过一系列巧妙的代谢工程策略，致力于提高 D-LA 的产量和生产效率。
研究人员在这项研究中采用了多种关键技术方法。首先是基因工程技术，通过构建质粒和基因敲除等操作，对甲基单胞菌 DH-1 的基因组进行精确改造；其次是发酵技术，利用生物反应器进行大规模发酵培养，优化发酵条件；最后运用了分析检测技术，如高效液相色谱（HPLC）用于定量 D-LA，气相色谱用于分析消耗的甲烷浓度等。
研究结果如下：
- 引入诱导型启动子微调 D-LDH 表达：研究人员尝试用多种启动子调控 D - 乳酸脱氢酶（D-LDH）的表达。前期研究中，强组成型启动子 mxaF 因严重抑制细胞生长而失败，其他预测强度介于 mxaF 和 glgBA 启动子之间的启动子也未能提高 D-LA 产量。于是，研究人员引入诱导型启动子，测试了 tet 启动子（Ptet）和 tac 启动子（Ptac）。Ptet在无诱导剂时，D-LA 产量极低，调控严格；Ptac虽然调控相对宽松，但在 IPTG 诱导下，D-LA 产量显著增加。综合考虑，Ptac更有利于后续实验。
- 破坏葡萄糖 - 1 - 磷酸腺苷酰转移酶（glgC）减轻 ADP - 葡萄糖积累毒性：在扩大培养规模时，研究人员发现缺失 glgA 基因的菌株 JHM804 出现生长抑制现象。深入研究发现，这是由于 glgA 缺失导致糖原合成途径在 ADP - 葡萄糖处受阻，大量 ADP - 葡萄糖积累，影响细胞代谢。通过敲除 glgC 基因，成功缓解了这一问题，菌株 JHM805 的生长得到恢复，且 D-LA 产量有所提高。
- 生物反应器发酵生产 D-LA：优化后的菌株 JHM805 在 5-L 生物反应器中进行发酵培养。研究发现，硝酸盐补充对提高细胞生长和 D-LA 产量至关重要。在优化硝酸盐浓度为 6g/L KNO3时，JHM805 的细胞生长显著改善，D-LA 产量达到 6.17g/L，这一数值是目前报道中利用甲烷或甲醇为碳源生产 D - 或 L - 乳酸的最高水平，且生产效率提高到 0.057g/L/h。
在研究结论与讨论部分，该研究成果具有多方面的重要意义。从技术层面来看，利用诱导型启动子调控 D-LDH 表达，有效降低了乳酸毒性，为解决微生物发酵中产物毒性问题提供了新思路；敲除 glgC 基因解决了代谢失衡问题，为优化微生物碳代谢途径提供了参考。从应用角度而言，提高了 D-LA 从甲烷的生产效率，使甲烷发酵生产 D-LA 更具经济可行性，有望推动生物可降解塑料产业的发展。此外，该研究也为其他利用甲烷氧化菌生产化学品的研究提供了宝贵经验，表明通过合理的代谢工程策略和发酵条件优化，可以显著提升微生物的生产性能。未来，随着研究的深入，有望进一步优化菌株性能，提高生产效率，使甲烷生物转化技术更好地服务于工业生产和环境保护。
