甲酸同化途径驱动巴斯德毕赤酵母在生物电催化二氧化碳还原系统中的重组蛋白高效表达

《Biochemical Engineering Journal》：Formate assimilation pathway contributes recombinant protein expression of Komagataella phaffii in bioelectrical carbon dioxide reduction system

本文系统阐述了工程化Komagataella phaffii（巴斯德毕赤酵母）在生物电化学反应器（BER）中通过甲酸同化途径高效表达重组蛋白的分子机制。研究通过转录组学（RNA-seq）发现63.8%基因存在显著差异表达，并经基因敲除实验验证甲醛脱氢酶（FLD）和二羟基丙酮合酶（DAS1）基因在碳底物转化中的关键作用，为微生物碳固定及蛋白生产提供了创新策略。

　　

亮点

工程化Komagataella phaffii利用二氧化碳作为碳源生成生物质，并通过多种代谢途径积累高附加值碳水化合物，例如基于过氧化物酶体甲醇同化途径重构的卡尔文-本森-巴沙姆（Calvin-Benson-Bassham，CBB）循环。通过进一步在自养型K. phaffii中整合合成基因，乳酸和衣康酸的产量分别达到600 mg/L和2 g/L。此外，通过引入外源柠檬酸合成基因，自养型K. phaffii的柠檬酸产量达到约1.5 g/L。这些研究展示了K. phaffii作为细胞工厂从二氧化碳生产高价值化学品的潜力。然而，关于K. phaffii在生物电化学系统中利用二氧化碳高效表达重组蛋白的机制尚不明确。

讨论

本研究通过转录组分析揭示了K. phaffii在BER系统中与摇瓶培养条件下的代谢差异。差异表达基因（DEGs）的富集分析表明，与甲醇代谢途径相关的基因表达发生显著变化，其中甲酸同化途径尤为突出。基因敲除实验证实，甲醛脱氢酶基因（FLD）和二羟基丙酮合酶基因（DAS1）的缺失显著影响重组蛋白表达效率，表明甲酸同化途径是BER系统中高效蛋白表达的主要驱动力。这一发现为理解K. phaffii在电化学环境中的代谢适应性提供了新视角，并为其在碳中和技术中的应用奠定了基础。

结论

为阐明利用二氧化碳的重组K. phaffii高效表达重组蛋白的机制，本研究采用转录组分析识别差异表达基因和通路富集。随后的基因敲除实验验证了转录组分析的结论，表明甲酸同化途径是驱动高效重组蛋白表达的力量。