摘要：碳中和时代已经到来，如何高效利用和转化二氧化碳这一“温室气体”，成为科学家们亟需解决的难题。二氧化碳不仅是环境问题的根源之一，也被视为一种潜在的“资源”。将其转化为有价值的化学品，不仅可以减少排放，还能推动低碳经济的发展。
碳中和时代已经到来，如何高效利用和转化二氧化碳这一“温室气体”，成为科学家们亟需解决的难题。二氧化碳不仅是环境问题的根源之一，也被视为一种潜在的“资源”。将其转化为有价值的化学品，不仅可以减少排放，还能推动低碳经济的发展。
在农业领域，L-高丝氨酸（L-homoserine）是一种备受瞩目的氨基酸前体，它是环保型除草剂 L-草铵膦（也称精草铵膦）的重要原料。传统上，丝氨酸的生产依赖于粮食原料，例如葡萄糖，但这与粮食安全形成了竞争。为了打破这一限制，中国科学院微生物研究所于波团队近期取得了突破性进展：他们利用工程大肠杆菌，以二氧化碳衍生的乙酸盐和甲酸盐为碳源，实现了 15.96 g/L 的 L-高丝氨酸的高效生产。本成果近期发表在 ACS Sustainable Chemistry & Engineering 上，题为“Sustainable Production of L‑Homoserine Solely from CO₂‑Derived Acetate and Formate by Engineered E. coli Strain”。这项研究不仅展示了生物制造技术的潜力，还为绿色化学品生产开辟了新途径。
乙酸盐在代谢途径中很容易转化为中心代谢物乙酰辅酶 A，因此是有前景的化学品生产原料。在这项研究中，团队通过删除分支途径、激活乙二醛循环和增强合成途径来实现从乙酸盐生产 L-高丝氨酸。
乙酸盐是一种易于转化为乙酰辅酶 A（acetyl-CoA）的优质碳源，后者是三羧酸循环和乙醛酸循环的核心代谢中间体。这些循环生成的草酰乙酸和苹果酸是 L-高丝氨酸合成的关键前体。为提高代谢效率，研究团队删除了 pckA 和 maeB 基因，减少草酰乙酸和苹果酸流入糖异生等分支代谢路径，从而将更多的碳流量导向 L-高丝氨酸的合成。初步实验表明，在乙酸盐为唯一碳源的条件下，菌株能够高效积累 L-高丝氨酸。
大肠杆菌以乙酸盐为唯一碳源生长时，乙醛酸循环的调控至关重要。研究团队通过增强 AspA 酶的表达、插入 pntAB 基因以提高 NADPH 供应，并优化草酸代谢以支持乙酸盐的进一步利用，从而有效提高 L-高丝氨酸的生产效率。然而，单独利用乙酸盐时，L-高丝氨酸的理论最大得率为 0.34 mol/mol，部分乙酸盐需通过 TCA 循环氧化以生成 ATP，这降低了碳流的转化效率。为此，团队引入甲酸盐作为协同碳源。甲酸盐氧化生成的 NADH 经呼吸链转化为 ATP，显著缓解了能量不足问题。通过优化乙酸盐和甲酸盐的摩尔比（0.57:1），L-高丝氨酸的理论得率提高至 0.5 mol/mol，生产效率大幅提升。
随后，研究团队利用 CRISPR-Cas9 技术对大肠杆菌染色体进行精确改造，将编码天冬氨酸激酶和天冬氨酸半醛脱氢酶的基因多拷贝整合至染色体，并去除反馈抑制以进一步提升酶活性。为应对乙酸盐的毒性和低能量特性，团队通过适应性实验室进化逐步提高培养基中的乙酸盐浓度，从初始的 4 g/L 增加至 14 g/L，筛选出耐受性更强的菌株。在 10 g/L 乙酸盐条件下，这些菌株的生长速度提升近 10 倍，L-高丝氨酸产量从 0.03 g/L 提高至 0.60 g/L。
尽管适应性进化显著提高了菌株性能，部分代谢流量仍浪费在与目标产物无关的糖异生途径中。为此，团队进一步优化代谢通路，通过敲除 pckA 和 maeB 基因，减少了糖异生途径的碳流损失，使更多草酰乙酸和苹果酸用于 L-高丝氨酸合成。最终，在 5L 发酵罐实验中，这些优化措施显著提升了生产能力。改造菌株在含二氧化碳衍生乙酸盐和甲酸盐的培养基中，于 68.5 小时内生产出 15.96 g/L 的 L-高丝氨酸，产量提升 35%。这一成果通过削减无关途径和优化代谢流量，为 L-高丝氨酸的工业化生产提供了新的方向。
图 | 通过改造的大肠杆菌菌株，仅使用 CO2 衍生而来的乙酸盐和甲酸盐生产 L-高丝氨酸的流程示意图（来源：上述论文）
这项研究成功实现了利用二氧化碳衍生的乙酸盐和甲酸盐，工程大肠杆菌高效生产 L-高丝氨酸，突破了传统依赖粮食原料的生产方式。通过适应性实验室进化和代谢优化，研究团队将 L-高丝氨酸的产量提升至 15.96 g/L， 证明了这一绿色生产方法的可行性。此项成果不仅推动了低碳经济的发展，还为生物制造和环保除草剂的生产开辟了新路径。
参考链接：
1.Sustainable Production of L-Homoserine Solely from CO2-Derived Acetate and Formate by Engineered E. coli Strain, Jia,nan Zhang, Zizhen Liu, Yihan Wang, and Bo Yu,ACS Sustainable Chemistry & Engineering Article ASAP,DOI: 10.1021/acssuschemeng.4c08299
免责声明：本文旨在传递合成生物学最新讯息，不代表平台立场，不构成任何投资意见和建议，以官方/公司公告为准。本文也不是治疗方案推荐，如需获得治疗方案指导，请前往正规医院就诊。
来源：生辉SciPhi