Cell子刊 | 中科院天津工业生物所李德茂/哈工大陈国福团队构建能量稳健型产乙醇梭菌CAB181

合成气发酵利用一氧化碳和二氧化碳生产燃料与化学品，是碳减排和可持续生物制造的重要方向。产乙醇梭菌（ Clostridium autoethanogenum ）凭借其特有的Wood-Ljungdahl途径被视为理想的工业底盘，该途径固有的能量瓶颈却严重限制了细胞生长和产物合成速率。2026年7月28日，中国科学院天津工业生物技术研究所李德茂研究团队和哈尔滨工业大学（威海）陈国福教授团队在《Trends in Biotechnology》期刊上发表了题为“Engineering energy-robust Clostridium autoethanogenum via integrated nanotechnology and transcription-guided metabolic reprogramming”的研究论文。他们构建了牛血清白蛋白稳定的金纳米颗粒与产乙醇梭菌的光驱动生物杂合体，基于转录组数据设计“推-拉-阻”代谢工程策略，最终获得工程菌株CAB181。

研究团队通过柠檬酸盐还原法合成了粒径约20纳米的球形金纳米颗粒，并用牛血清白蛋白进行包覆，紫外-可见光谱显示该材料在520纳米处有单一的局域表面等离激元共振峰，透射电镜确认了颗粒的均匀分散状态。电化学测试表明金纳米颗粒@牛血清白蛋白修饰电极在光照下产生了明显增强的阴极光电流，计时电流曲线呈现快速负向瞬态响应并维持稳定平台，这些特征与等离激元诱导的热电子产生和界面注入行为一致。将这种材料与产乙醇梭菌共培养后，扫描电镜清晰显示纳米颗粒均匀吸附在菌体表面，在合成气（CO:CO₂:H₂ = 4:4:2）气氛和光照条件下，杂合体系的菌体密度显著高于未处理对照组。添加6 mg/L金纳米颗粒@牛血清白蛋白的实验组在第八天达到最高乙醇效价，ATP含量达到近60 mM并较对照组提升了约2.3倍，NAD⁺/NADH比值和NADP⁺/NADPH比值也分别提高了29.8%和24.8%。

为解析上述能量增强效应的分子基础，研究团队对光照下的生物杂合体进行了转录组测序，主成分分析显示两组样本在转录水平上存在显著分离，差异表达基因共有783个，其中735个基因上调、48个下调。上调基因大量富集在能量生产与转化、碳水化合物代谢等通路中，膜结合型还原态铁氧还蛋白:NAD⁺氧化还原酶（Rnf）的全部亚基、完整的F₆F₁-ATP合酶基因簇、电子歧化型NADP依赖的[FeFe]氢酶（Hyt）以及甲酸脱氢酶（Fdh）等多个能量相关模块均呈现协同上调。转录组数据还鉴定出58个显著上调的转录因子和41个候选小RNA，它们靶向的基因中也包含大量能量代谢相关基因。研究团队分别构建了Rnf、F₆F₁-ATP合酶、Hyt、Fdh和丙酮酸磷酸双激酶（PPDK）等关键酶的过表达菌株，以及五个候选转录因子的过表达菌株，过表达Rnf和F₆F₁-ATP合酶的菌株其乙醇产量较野生型分别提高了54.8%和136.9%。乙酸盐产量却下降了约50%和48%，能量模块的强化显著改变了产物分配格局，单独或联合过表达Hyt与Fdh则带来了生长抑制和乙醇产量下降，Crp/Fnr家族成员T2的过表达使菌体密度提升23.7%，LysR家族成员T5的过表达使乙醇产量提升139.0%。

研究团队基于上述功能元件开发了“推-拉-阻”代谢重构策略，通过质粒过表达Rnf来强化能量保存和ATP合成，通过基因组整合方式稳定表达PPDK、T2和T5以增强下游碳代谢通量，敲除了budA和ldhA两个基因以阻断2,3-丁二醇和乳酸这两条副产物合成途径。他们逐步构建了24株中间菌株和最终的目标菌株CAB181，在摇瓶合成气发酵中CAB181的乙醇和乙酸盐产量较野生型分别提升了46.5%和35.1%，总酸醇产量提升了34.2%，这些产量增长没有伴随严重的生长缺陷，CAB181的OD₆₀₀仅比野生型降低了19.8%。过表达F₆F₁-ATP合酶的中间菌株CAB-ATP获得了137%的乙醇增幅，CAB2等菌株的乙酸盐提升幅度也达到74%以上。为验证CAB181的分子重塑特征，研究团队开展了整合转录组和蛋白质组分析，两组学数据在碳代谢、能量代谢和氧化还原相关通路上表现出高度一致性，Wood-Ljungdahl途径核心酶、Hyt、电子歧化型铁氧还蛋白依赖的转氢酶（Nfn）以及Rnf组分均在转录和蛋白水平同步上调。乙酸盐激酶（ACK）的上调和乙醛/醇脱氢酶（AdhE）的下调共同重塑了末端产物的分配方向，该工作将外源能量输入、转录组解析和内源代谢工程整合为闭环研究框架，为其他产乙酸菌的能量优化和高产菌株构建提供了可借鉴的工程范式。

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