综述：通过系统生物学理解甲醇代谢：进展与未来展望

《Current Opinion in Biotechnology》：Understanding methanol metabolism through systems biology: advances and future perspectives

本综述系统梳理了系统生物学（多组学、计算建模）在甲醇代谢研究中的最新进展，重点探讨了天然/合成甲基营养微生物的代谢机制、毒性挑战（甲醛、甲醇）及酵母真核系统（如过氧化物酶体区室化）的特殊性，为优化C1生物制造（TRY指标）提供理论支撑。

　　

系统生物学方法在甲醇代谢研究中的应用

系统生物学为全面理解甲醇代谢提供了强大框架。该研究通常遵循两阶段工作流程：第一阶段是量化，通过高通量多组学技术（如转录组学、蛋白质组学、代谢组学）生成关于细胞状态的全面、无偏数据；第二阶段是建模，利用计算方法分析这些数据，提取调控原则，并生成可检验的假设。这些方法共同揭示了甲醇利用的分子机制和系统特性。

甲醇代谢概述

甲醇是一种在自然环境中普遍存在的化合物，主要来源于植物代谢（如果胶脱甲基化）等生物过程。其在叶际和土壤等生态位中的普遍存在对微生物形成了选择性压力，促使它们利用甲醇作为碳源和能源。虽然许多生物体拥有酶来解毒这种细胞毒性化合物，但将甲醇作为唯一碳源和能量来源的能力却相对有限。甲醇代谢的核心挑战在于其毒性中间体甲醛，它会损害细胞功能。

理解甲醇代谢的进展

对合成和天然甲基营养菌的研究，虽然代表了不同的研究途径，但协同增强了我们对甲醇代谢的理解。最近的研究不仅在生物制造应用方面取得了显著成功，还揭示了合成和天然甲基营养菌之间的共同特征和互补见解。例如，在酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）和天然甲基营养菌中发现了相同的新型甲醇同化途径。这些发现突显了不同微生物背景下的趋同进化，并强调了核心代谢网络的重要性。

挑战与未来展望

为了有效设计用于甲醇生物转化的微生物细胞工厂，研究应超越局部同化途径。应系统地研究局部代谢途径与宿主生物体之间的相互作用，包括毒性机制以及与中心代谢的调控适应。这需要对天然和合成甲基营养微生物进行协同研究。虽然甲醇代谢在天然宿主中通常更有效，但合成系统为剖析和工程化特定途径提供了简化平台。未来的研究需要整合更先进的系统生物学工具，如单细胞多组学和空间组学，以解决细胞异质性和亚细胞区室（如过氧化物酶体）的影响。最终目标是实现对甲醇代谢的精准预测和调控，从而推动可持续生物制造的发展。