MIT、清华等代谢工程改造大肠杆菌，实现乙酸盐为底物的二醇合成

在全球减碳趋势下，如何用非粮原料生产化学品成为生物制造的核心挑战。在此背景下，乙酸盐成为一种颇具吸引力的替代微生物碳源，与传统碳原料相比，乙酸盐可以通过生物和化学方法以较低的成本生产出有效量。

近日，来自麻省理工学院（MIT）、清华大学等高校的团队合作，通过分步代谢工程，开发了以乙酸盐作为唯一碳源生产 2,3-丁二醇和乙偶姻（统称为二醇）的大肠杆菌菌株。相关研究以题为“Metabolic Engineering of E. coli for Enhanced Di-ols Production from Acetate”发表在 ACS Synthetic Biology。

2,3-丁二醇（2,3-BDO）具有广泛的应用范围，包括直接用于制造个人护理产品、食品添加剂和调味剂、防冻剂、植物生长促进剂、并通过进一步转化为 1,3-丁二烯和甲基乙基酮 (MEK) 等增值产品进行间接利用；乙偶姻因其黄油般的味道而被广泛用作合成各种化学品、化妆品化合物和药物的原料，并被用作食品工业的调味剂。传统生产中，这两种化合物依赖粮食基糖类发酵，而这项研究首次实现以乙酸盐为唯一碳源的生物合成，为绿色制造开辟新路径。

乙偶姻和 2,3-BDO 的生物合成路线高度交织，乙偶姻是 2,3-BDO 的直接前体。事实上，它们都是由丙酮酸通过几个步骤形成的。2,3-BDO 也可以可逆地转化为乙偶姻，从而再生 NADH 以保持恒定的氧化还原状态。由于乙偶姻和 2,3-BDO 的生物生产依赖于最终导致二醇形成的常见酶促反应，因此 2,3-BDO 和乙偶姻被称为二醇。

要实现乙酸到二醇的转化，团队对比了两种常用宿主：E. coli W 和 E. coli BL21。这两种菌株都对乙酸具有高度耐受性。乙酰辅酶 A 合成酶和乙醛酸旁路在 E. coli BL21 中的活性更高；另一方面，E. coli W 是迄今为止报道的唯一一个从乙酸盐生产 2,3-BDO 和乙偶姻的尝试中选出的宿主菌株。

接下来，团队从阴沟肠杆菌中“借来”三个关键基因——budB（乙酰乳酸合成酶）、budA（乙酰乳酸脱羧酶）、budC（2,3-BDO 脱氢酶），在大肠杆菌中构建了合成路径。并分别对低拷贝数质粒和高拷贝数质粒以及两种不同的基因顺序进行了比较评估。结果发现，以上因素影响并不是很显著，构建的四株菌株均能从葡萄糖生产 2,3-BDO 和乙偶姻。

在添加了 5 g/L 乙酸钠的化学成分明确的培养基中，对这四株菌株的二醇产量进行了测试。通过分析二醇的滴度、产量和碳平衡，一致表明 E. coli W_pET_budBAC 是进一步菌株工程开发的基准菌株。

大肠杆菌吸收乙酸有两条路径：高亲和力的 Acs，需消耗 2 分子 ATP；低能耗的 AckA-Pta，仅需 1 分子 ATP。团队发现，过表达 AckA-Pta 路径的菌株（W-BDO-AC2）比过表达 Acs 的菌株（W-BDO-AC1）乙酸消耗速率快 38%，二醇产量高出 69%。这是因为 AckA-Pta 在能量利用上更具优势，且其副产物乙酰磷酸能激活下游代谢。

另一个关键突破在于苹果酸到丙酮酸的转化。苹果酸脱氢酶有两种同工酶：MaeA 和 MaeB。实验表明，MaeA 在乙酸体系中更高效，因其不受乙酰辅酶 A 抑制，且直接支持丙酮酸生成（二醇合成前体）。过表达 MaeA 的菌株（W-BDO-AC4）最终将二醇产量推至 1.05 g/L，较基础菌株提升近 70%，创下现今报道最高纪录。

在摇瓶实验中，团队发现补料策略显著影响结果。一次性添加高浓度乙酸会抑制生长，而分四次补料的“细水长流”模式让 W-BDO-AC 菌株的乙酸消耗速率稳定在 0.78 g/h，二醇产量达 1.16 g/L。

为了验证工业可行性，团队在 250 mL 生物反应器中开展放大实验。通过精准控制 pH 值和溶氧，W-BDO-AC 的产量进一步提升至 1.56 g/L，较此前文献报道的 1.2 g/L 高出 30%。碳平衡分析显示，12.5% 的乙酸碳源转化为目标产物，其余主要用于菌体生长，未来可通过阻断旁路代谢进一步提高效率。

这项研究不仅首次实现了乙酸到二醇的高效转化，更揭示了代谢工程的系统性设计逻辑：从宿主选择、路径优化到工艺放大环环相扣。乙酸是连接一碳气体（如 CO₂、合成气）与高值化学品的桥梁，这项技术有望与气体发酵耦合，打造真正的‘负碳生产线’。未来，研究将聚焦两大方向：一是减少代谢中的碳损失，例如引入 CO₂ 循环模块；二是利用动态调控解决产物选择性难题。随着合成生物学工具的进步，乙酸驱动的“细胞工厂”或将成为生物制造的新标杆。

1.Ricci L, Cen X, Zu Y, et al. Metabolic Engineering of E. coli for Enhanced Diols Production from Acetate[J]. ACS Synthetic Biology, 2025, 14(4): 1204-1219.

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