维也纳工业大学利用巨型转座子改造嗜热厌氧杆菌，高效代谢CO

在可再生碳源利用逐渐成为产业趋势的背景下，合成气因其由一氧化碳、二氧化碳与氢气组成，具备良好的可获得性和转化潜力，成为发酵产业的重要候选原料。然而，实际应用中，合成气中的 CO 常常因其对多数厌氧微生物的毒性而成为一项瓶颈限制。在诸多产乙酸菌中，CO 对关键酶如氢化酶的抑制效应导致其无法高效利用 CO，严重制约了合成气的工业转化效率。

维也纳工业大学化学、环境与生物科学工程研究所的 Stefan Pflugl 领导的研究团队近期在 Nature Communications 上发表的研究“A megatransposon drives the adaptation of Thermoanaerobacter kivui to carbon monoxide”打破了这一技术瓶颈，通过自然适应与分子生物学手段相结合，成功获得了一株能以 CO 为唯一碳源和能源生长的嗜热产乙酸菌（Thermoanaerobacter kivui）菌株，并首次揭示了这种适应能力背后的核心机制：一段大型环形可动 DNA 片段——巨型转座子 TnCO-1。

研究首先采用适应性实验室进化策略（ALE），从野生型 T. kivui 出发，通过在无酵母提取物的矿质培养基中逐步提高 CO 浓度，在仅 31 代培养后成功筛选出 COpop 群体，并从中分离出表现最为稳定的克隆 CO-1。与以往报道的同类菌株相比，CO-1 在 100% CO 环境中表现出前所未有的生长速率，最大比生长速率可达 0.25 /h，而此前同源菌株在 CO 条件下的生长速率仅为 0.017 /h。这一数量级的增长差异表明，CO-1 的代谢能力已发生根本性改变。研究人员在生物反应器中对其发酵能力进行系统评估，结果显示无论在 52% CO 的合成气条件下，还是在纯 CO 环境中，CO-1 都能快速消耗底物并高效合成乙酸，显示出对 CO 和合成气的卓越利用能力。值得注意的是，在合成气条件下，CO 和 H₂ 能够被同时协同消耗，这为实际工业发酵提供了直接技术支撑。

为深入解析这一表型变化的分子基础，研究团队结合短读长和长读长基因组测序，意外发现 CO-1 菌株在基因组结构上发生了重要重排。在两个关键基因区段间（总长约 85 kb），形成了一个独立存在于染色体之外的环形巨型转座子 TnCO-1，其中包含了多个与乙酰辅酶 A 合成及还原乙酸代谢通路相关的关键功能基因。进一步 PCR 验证表明，TnCO-1 仅存在于能在 CO 环境中生长的菌株中，而在无法利用 CO 的对照菌株中完全缺失。该转座子携带的区域几乎涵盖了 Wood-Ljungdahl Pathway（WLP）中的大部分代谢基因簇，包括 Ech2 能量转化复合体、HDCR 复合物以及 HydABC，还原态铁氧还蛋白的利用可能是其中的核心驱动因素。研究团队进一步采用长读长测序确认了该转座子的完整结构，并设计特异性引物对其进行现场扩增，最终验证其真实存在，明确了 TnCO-1 作为赋予羧基营养型（carboxydotrophy）表型的关键遗传元件。

转座子的激活是否为偶然事件，抑或与 CO 选择压力直接相关？研究进一步设计了动态培养实验，发现 TnCO-1 的丰度高度依赖于碳源种类：在 CO 条件下显著富集，在葡萄糖或 H₂/CO₂ 条件下则逐渐减少。且随着连续多代在葡萄糖中的传代，CO-1 的 CO 生长能力会丧失，但重新暴露于 CO 后，TnCO-1 表达水平恢复，菌株再次具备 CO 代谢能力。这一结果强烈表明 TnCO-1 并非静态存在，而是一种可受碳源调节而动态动员的“活性元件”。

对比 CO-1 与其野生型对照菌株的稳态转录组发现，在 CO-1 中，不仅包含于 TnCO-1 的 WLP 通路相关基因表达整体上调，而且 Ech2 复合体的各亚基（ech2A-F）上调幅度最大，log2(FC)在 1.33 至 2.52 之间。同时，另一重要电子转移蛋白 Nfn 也显著上调，而核心 CO 代谢酶 CODH 与 Acs 却出现了下调。这种转录谱的“非直观”重构说明，细胞在高 CO 条件下采取一种精细平衡的策略：通过限制 CO 氧化速率、减少还原力积累，同时增强耗还原态铁氧还蛋白（Fd²⁻）的通路，以维持细胞的氧化还原稳态，避免代谢毒性。这种由转座子激活而产生的转录调控网络，构成了 T. kivui 适应 CO 压力的“代谢新态”。

为了验证关键基因的功能，研究团队将 Ech2 基因簇整合至野生型菌株的 pyrE 位点下游，在合成气条件下筛选并获得了 Ech2KI 菌株。该菌株在纯 CO 中亦可实现生长，尽管生长速度略低于 CO-1，但显著高于对照菌株，表明仅通过一个复合体的调控便足以实现羧基营养型表型的重建。进一步全基因组分析发现，Ech2KI 菌株虽然不携带 TnCO-1，但由于高表达 Ech2 带来的代谢压力，其基因组发生了多个位置的中等尺度重排和转座子活动，甚至包括一个覆盖 80% 基因组的大片段倒位。这一现象提示，代谢工程干预可能触发菌体自身的“重编程反应”，以维持新的代谢负荷下的稳态。

本项研究通过自然适应、基因组重排、转录组调控与定向基因编辑的多手段结合，不仅实现了 T. kivui 对 CO 的高效利用，更重要的是揭示了一种全新的代谢适应路径——依赖巨型转座子的功能模块化重构。TnCO-1 的发现为微生物代谢路径优化提供了新的遗传工具启示，而 Ech2 的关键作用也为合成生物学设计提供了明确靶点。在未来的工业应用中，结合这一机制的合成气发酵平台有望实现更高效的碳固定与能源转化，为碳循环经济注入强大生物动力。

1.Hocq, R., Horvath, J., Stumptner, M. et al. A megatransposon drives the adaptation of Thermoanaerobacter kivui to carbon monoxide. Nat Commun 16, 4217 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-59103-8

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