节能高效，马普所利用还原性甘氨酸合成代谢途径实现碳固定

“如果地球是一家企业，二氧化碳就是它的开支，而碳固定就是它的收入。” 眼下，这笔“碳账”严重亏空。每年人类排放的二氧化碳远超自然界的固定能力，全球变暖、能源危机迫在眉睫。

甲酸、二氧化碳等 C1 化合物因其可再生、低成本的特点，被视为未来生物制造的关键碳源。但要让微生物高效利用它们，传统天然碳固定途径却成为瓶颈。卡尔文循环是生物界最常见的固碳途径，但效率受限。

此前，马克斯普朗克陆地微生物研究所Tobias Erb及其同事开发了人工固碳途径，例如 CETCH 和 THETA 循环，其效率优于天然卡尔文循环。这些途径已经在体外取得成功，但仅部分整合到生物体中。

他们研究的另一种固碳方法涉及物理化学方法，例如使用可再生能源将 CO₂ 电化学还原为甲酸，然后再用微生物将其转化为各种产品。因此，研究人员目前正在开发混合技术，首先将 CO₂ 物理化学固定为甲酸，然后进一步通过微生物加工。

许多细菌都通过卡尔文循环自然转化甲酸，该团队近日测试了比卡尔文循环更节能的还原性甘氨酸途径（rGlyP），后者是处理甲酸最有效的合成代谢途径。

研究发现，整合了 rGlyP 途径的工程菌株的生物量产量比野生型高 17%，产量高于使用卡尔文循环的任何天然形态营养菌。这表明合成代谢具有实现可持续生物基生产的潜力。这一研究成果以“One-carbon fixation via the synthetic reductive glycine pathway exceeds yield of the Calvin cycle”为题发表在 Nature Microbiology。

在这项研究中，团队选用了 Cupriavidus necator 菌株，这种细菌自然地使用卡尔文循环来代谢甲酸。早在 2020 年，该团队的一位合作者、来自瓦赫宁根大学的 Nico Claassens 已经成功地将还原性甘氨酸途径引入 Cupriavidus necator。但由此产生的生长率和生物量产量低于未改造的细菌。

在这项新研究中，研究人员将完整的还原性甘氨酸途径（rGlyP）整合到细菌基因组中，并系统性优化其效率。该途径包含三个关键模块：C1 模块通过甲酸-四氢叶酸连接酶（FtfL）激活甲酸，再经亚甲基四氢叶酸环化酶（FchA）和脱氢酶（MtdA）生成亚甲基四氢叶酸；C2 模块利用甘氨酸裂解系统（GCS）逆向结合 CO₂ 生成甘氨酸，绕过高能耗的卡尔文循环；C3 模块则通过丝氨酸羟甲基转移酶（GlyA）和脱氨酶（SdaA）将甘氨酸转化为丙酮酸——这一系列反应最终生成丙酮酸，为细胞生长提供核心碳骨架。

研究团队选择工业常用菌株 Cupriavidus necator H16（天然依赖卡尔文循环）作为底盘，并通过基因敲除技术去除其聚羟基丁酸合成基因（ΔphaC1），获得代谢背景清晰的工程菌株 H16 ΔphaC1。随后，他们将 rGlyP 的 C1 和 C3 模块从原始质粒系统中分离，分步整合至细菌基因组：首先利用 Tn5 转座子技术将 C1 模块随机插入基因组，通过多轮甲酸培养基传代筛选出生长最快的菌株；在此基础上，再次使用相同策略整合 C3 模块，最终获得完全基因组整合的菌株 CRG6。

为减少代谢分流，团队进一步敲除甘氨酸氧化酶基因（ΔdadA6），迫使碳流集中于 rGlyP。蛋白质组学分析表明，基因组整合使 rGlyP 相关蛋白表达量降低 13%，释放的细胞资源被重新分配至核糖体合成等生长必需功能。经过优化的 CRG6 菌株在甲酸培养基中的生物量产率达到 4.52 g CDW/mol，较野生型提升 17%，且碳损失减少至 11%，展现出显著的代谢效率优势。

本研究通过合成代谢途径的理性设计与基因组整合，首次在工业微生物中实现了对天然碳固定系统的全面超越。其核心价值不仅体现在 17% 的甲酸利用效率提升，更在于构建了可扩展的“碳-能耦合”范式——利用电化学还原 CO₂ 生成的甲酸，经 rGlyP 驱动的高效同化，可闭环生产生物塑料（如 PHB）、微生物蛋白及 C4-C6 液态燃料，减少对石油基原料的依赖。这一技术框架展现出显著的跨界潜力。

学界评价此研究为“合成生物学里程碑”（Sarwar & Lee, 2025），其意义在于证明人工代谢网络可突破自然进化约束，而未来研究需聚焦“将理论优势转化为工业竞争力”——正如评述所言：“让细菌工厂不仅更‘聪明’，还要更‘勤奋’。”

1.Dronsella, B., Orsi, E., Schulz-Mirbach, H. et al. One-carbon fixation via the synthetic reductive glycine pathway exceeds yield of the Calvin cycle. Nat Microbiol (2025).

2.Sarwar, A., Lee, E.Y. Surpassing natural limits in one-carbon assimilation. Nat Microbiol (2025).

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