三步代谢工程策略优化产乙醇梭菌实现高效C1气体生物转化

推荐：本研究针对产乙醇梭菌(Clostridium ljungdahlii)在CO/CO2气体发酵中乙醇产量受限的问题，通过强化乙醇合成途径(AdhE1/2)、促进乙酸再同化(AOR)和阻断2,3-丁二醇(BDO)旁路的三步代谢策略，使工程菌在连续发酵中实现30.1 g/L的乙醇产量，为C1气体生物炼制提供了新思路。

　　

随着全球碳中和目标的推进，利用工业废气(CO/CO₂)生产生物燃料成为研究热点。产乙醇梭菌(Clostridium)虽能通过Wood-Ljungdahl通路将C1气体转化为乙醇，但存在产量低、副产物多等瓶颈。传统糖基原料的乙醇生产面临"与粮争地"困境，而气体发酵技术可直接转化钢厂、化工厂的废气，实现"变废为宝"。然而，现有菌株的乙醇转化效率与经济性仍无法满足工业化需求，亟需通过系统代谢工程进行优化。

上海理工大学健康科学与工程学院的研究团队在《Green Carbon》发表研究，针对模式菌株C. ljungdahlii DSM 13528开展三步代谢改造：首先过表达乙酰辅酶A脱氢酶(ald)和双功能醛/醇脱氢酶(adhE1/2)强化乙醇合成核心途径；其次引入醛氧化还原酶(aor1/2)促进乙酸再循环；最后通过CRISPR/Cas9技术敲除2,3-丁二醇脱氢酶基因(bdh1/2/3)阻断碳流损耗。研究采用分批发酵和连续培养系统，结合UPLC-MS代谢物检测等技术评估改造效果。

在"乙醇合成途径优化"部分，过表达adhE1使乙醇产量提升61%（218 vs 135 mg/L），而同时引入ald基因的Clj-EtOH03菌株产量达570 mg/L，证实协同表达策略的优势。"强化乙酸再同化"实验显示，aor2过表达使乙醇产量提高1.84倍，工程菌Clj-EtOH06在整合前两步改造后产量达1.48 g/L。"阻断2,3-丁二醇合成"环节发现，三基因敲除株Clj-EtOH07的BDO产量降低80%，乙醇得率显著提升。最终在优化培养基(YT)和连续发酵条件下，该菌株以350 mL/min气体流速运行102小时，获得23.5 g/L发酵液乙醇和6.6 g/L气相回收乙醇的创纪录产量。

讨论指出，该研究首次揭示BDO合成与乙醇产量的负相关关系，并提出"部分抑制乙酸合成而非完全敲除"的平衡策略。相比前人工作，工程菌的乙醇产量提高3倍，且8 g/L残余乙酸提示进一步优化空间。该策略可推广至C. autoethanogenum等工业菌株，为建立C1气体生物炼制平台提供关键技术支撑。研究突破传统生物质乙醇的原料限制，对发展"负碳"生物制造具有重要示范意义。