Jay Keasling团队构建甲酸营养型大肠杆菌，倍增时间缩至4.4小时

目前，面对气候变化和碳中和压力，科学界正在不断积极探索如何将 CO₂ 高效转化为可用资源，其中一个热门思路是：先用电把 CO₂ 还原成甲酸，再利用微生物将这些甲酸转化为可再生燃料和化工产品，从而形成绿色闭环。

自然界中，有三种主要的代谢途径支持以甲酸为原料的生长：卡尔文循环、丝氨酸循环和 Wood-Ljungdahl 途径。前两种途径的 ATP 成本相对较高，生物质和产物产量较低，第三种途径依赖于高度氧敏感的酶。

作为天然途径的替代，还原甘氨酸途径（rGlyP）被认为是一种非常有前途的 ATP 高效、有氧甲酸同化的合成途径。已有多项研究对 rGlyP 进行了设计。但这些研究均未实现与最快的天然形态营养菌相当的生长速度，且产物产量有限。

近日，加州大学伯克利分校 Jay Keasling 团队与荷兰瓦赫宁根大学 Nico Claassens 团队合作，给出了一种全新解决方案。研究团队将 rGlyP 导入大肠杆菌，通过进化优化后，成功构建出了一株能快速生长、以甲酸为唯一碳源合成高附加值产物的人工菌株，该菌株在实现快速生长的同时，可高效利用甲酸合成生物基高附加值化合物甲羟戊酸及异戊二烯醇，为构建可持续“甲酸生物经济”实现了关键技术突破。

相关研究以题为 “Fast growth and high-titer bioproduction from renewable formate via metal-dependent formate dehydrogenase in Escherichia coli” 在线发表在 Nature Communications 上。

早在 2020 年，Nico Claassens 团队就已经成功地将还原甘氨酸途径引入 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。

目前，制约合成甲酸营养型菌株快速生长的关键动力学瓶颈在于异源甲酸脱氢酶（FDH）——该酶负责催化甲酸还原为代谢中间体及生物质所需的 NADH 生成。迄今构建的所有甲酸营养型大肠杆菌菌株均采用来自假单胞菌（Pseudomonas sp. 101）的简单单亚基非金属依赖性 FDH（psFDH），转换效率较低。

为突破这一速率瓶颈，研究人员首次利用金属依赖性 C. necator（cnFDH）替代了非金属依赖性 psFDH，并通过短期实验室进化（ALE）优化表达水平，构建出重组菌株 K4Me2。

实验结果表明，该菌株在甲酸条件下的倍增时间缩短至 4.4 h，接近天然甲酸营养菌的最快生长速率，且与 psFDH 相比，cnFDH 不仅单位酶活性提升 10 倍以上，其在菌体蛋白质组中的占比也仅为 0.2%，远低于 psFDH 所需的 20% 以上表达负担，显著提升了整体蛋白质资源的分配效率，并在不添加 IPTG 诱导剂的条件下也可稳定表达，增强了工业可行性。

在实际生产中，研究团队通过电化学方法还原 CO₂，高效地生成甲酸，并在该体系中合成生物塑料单体甲羟戊酸。小规模混养批次中，K4Me2 菌株产物浓度达 86.8 mg/L，为原始 K4e 菌株的 2 倍以上。在扩大规模的供料分批培养条件下，K4Me2 菌株在以甲酸为唯一碳源的条件下，最终获得了 3.8 g/L 的甲羟戊酸产量，远超报道以来的人工甲酸营养型系统。

更重要的是，产物合成速率与 AtoB 表达水平高度正相关，蛋白质组分析显示，cnFDH 体系释放出的表达资源被显著分配至甲羟戊酸途径，说明代谢流量有效地从甲酸转向了目标产物，而非菌体生长。

为了证明 K4Me2 作为萜类化合物生物生产平台的实用性，研究人员还对其进行了设计以生产半萜类化合物异戊二烯醇，可用作可持续航空燃料前体。最终获得的滴度为 11.9 ± 5.1 mg/L。尽管总产量不高，但异戊二烯醇的检测验证了利用甲酸盐生产具有商业价值的萜类化合物的可行性，进一步的菌株和工艺优化对于提高补料分批模式下甲酸盐的生产产量具有巨大的潜力。

此外，研究人员还探索了利用木质素氧化降解产生的甲酸。在甲羟戊酸生物生产过程中，培养物中所有甲酸盐均被消耗，在 240 小时的培养过程中，甲羟戊酸滴度最高达到 32.0±5.8mg/L。

总之，本研究通过引入高效的金属依赖型甲酸脱氢酶，构建了具备快速生长能力的合成甲酸营养型大肠杆菌，并成功验证了从电还原 CO₂ 生成的甲酸，到高附加值化合物的完整转化路径，还探索了以木质素为起点的有机废弃物资源化可能，为低成本、可再生碳源的开发提供了现实模板。

虽然距离甲酸生物经济的全面产业化仍需跨越工艺放大、成本控制等技术门槛，但该研究已经在平台菌株构建与路径验证层面迈出了关键一步。

参考文献：

1. Cowan, A.E., Hillers, M., Rainaldi, V. et al. Fast growth and high-titer bioproduction from renewable formate via metal-dependent formate dehydrogenase in Escherichia coli. Nat Commun 16, 5908 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61001-y

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