综述：优化嗜铜菌Cupriavidus necator H16作为好氧C1转化的宿主

这篇综述系统阐述了革兰氏阴性土壤细菌C. necator H16作为C1（CO2/甲酸等单碳化合物）生物制造平台的潜力，重点突出其代谢多样性、高细胞密度生长能力和遗传可操作性三大优势，并总结了近期通过代谢工程和适应性实验室进化（ALE）优化其C1转化效率的研究进展，为构建基于可再生资源的循环生物经济（circular bioeconomy）提供理论支撑。

　　

引言

20世纪初发现的嗜氢菌Hydrogenomonas eutropha H16（现称Cupriavidus necator H16）因其独特的代谢能力成为研究焦点。该菌株可通过H₂氧化驱动CO₂固定，并在工业规模生产生物可降解聚酯（如PHB）。近年来，其高效的C1转化能力引发新一轮研究热潮，特别是在应对碳排放和可持续制造领域。

代谢多样性

C. necator H16拥有7.41 Mbp基因组和0.45 Mbp巨型质粒pHG1，赋予其利用碳水化合物、有机酸、甲酸和CO₂等多底物的能力。其核心代谢特征包括：

• CO₂固定：通过完整卡尔文-本森-巴沙姆循环（CBB），依赖可溶性（SH）和膜结合氢酶（MBH）提供还原力。
• 甲酸利用：甲酸脱氢酶（FDH）将甲酸转化为CO₂和还原当量，但需通过pH调控缓解毒性。
• 代谢冗余：约40%的蛋白质组可能为非必需成分，为基因组精简提供空间。近期研究通过删除pHG1质粒或氢酶基因，显著提升甲酸代谢效率。

高密度生长能力

相比厌氧菌，好氧生长的C. necator能高效合成高分子量产物：

• 生长速率：在CO₂/H₂下达0.32 h^?1，经ALE优化的甲酸利用菌株提升至0.25 h^?1。
• 细胞密度：最高记录达281 g/l（葡萄糖）和91 g/l（CO₂/H₂），远超大肠杆菌的190 g/l极限。
• 天然产物：PHB占细胞干重81.4%（56.4 g/l），蛋白质含量达70%，适合单细胞蛋白（SCP）生产。NASA曾设想将其用于太空生命支持系统。

遗传可操作性

基因工具开发突破推动其工程化应用：

• 转化效率：通过删除限制性内切酶基因H16_A0006，效率提升1658倍至>10⁷ CFU/μg DNA。
• CRISPR应用：首次实现CRISPR-Cas9编辑，已用于生产1,3-丁二醇（2.97 g/l）、异丙醇（3.5 g/l）等20余种化合物。
• 途径优化：引入蓝藻Rubisco或重构还原甘氨酸途径（rGP），使甲酸转化效率提升17%。

挑战与创新

尽管CBB循环能量效率较低，但近期研究表明：

• CO₂浓缩机制（CCM）：异源表达碳酸酐酶（CA）和HCO₃^-转运体可改善空气级CO₂固定。
• 非天然底物拓展：通过表达CO脱氢酶，赋予CO转化能力，且经ALE获得高CO耐受菌株（>5%浓度）。

结论

C. necator H16凭借其"三合一"优势——多底物代谢、工业级培养性能和模块化基因工具，成为C1生物制造的标杆菌株。未来通过整合合成生物学与过程工程，有望实现从温室气体到高值产品的闭环生产，推动碳中和目标的实现。