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合成气发酵中，许多产乙酸菌对 CO 耐受性差，限制了其工业应用。研究人员以嗜热产乙酸菌 Thermoanaerobacter kivui 为对象，开展适应性进化研究。结果获得高效利用 CO 的菌株 CO-1，发现其依赖巨型转座子TnCO?1 。该成果为产乙酸菌利用 CO 提供新机制，推动合成气生物转化。
在工业生物技术蓬勃发展的当下，合成气作为一种重要的燃料和化学前体，其发酵过程却面临着诸多挑战。产乙酸菌虽有潜力将合成气（含有 CO、
H2 和
CO2 ）转化为燃料和化学品，但 CO 对许多产乙酸菌的生长有着严重的抑制作用。这就好比在一条充满希望的道路上设置了重重障碍，使得产乙酸菌难以高效地发挥其 “魔力”，实现合成气的转化。为了突破这一瓶颈，来自奥地利维也纳技术大学（Technische Universit?t Wien）等机构的研究人员踏上了探索之旅。他们聚焦于嗜热产乙酸菌 Thermoanaerobacter kivui，致力于揭示其适应 CO 的机制，期望为合成气的生物转化开辟新的道路。
经过一系列深入研究，研究人员取得了令人瞩目的成果。他们通过适应性实验室进化（ALE）等技术，成功获得了能快速利用 CO 作为唯一碳源和能源的菌株 CO-1。该研究不仅解析了其适应 CO 的关键机制，还为合成气生物转化的工业化应用提供了重要理论依据，相关论文发表在《Nature Communications》上。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先是适应性实验室进化（ALE），通过逐步增加 CO 浓度，模拟自然选择过程，促使 Thermoanaerobacter kivui 适应 CO 环境；其次是基因组测序技术，包括短读长测序（如 Illumina 测序）和长读长测序（如牛津纳米孔测序 ONT），用于分析菌株基因组的变化；再者是转录组学分析，从 RNA 层面探究基因表达的差异，以了解菌株在不同条件下的代谢变化。
研究结果具体如下：
- 野生型 Thermoanaerobacter kivui 的适应性进化：通过 ALE 方法，研究人员将 Thermoanaerobacter kivui DSM 2030 逐步适应 CO 环境。实验分三个阶段进行，最终获得了能在 100% CO 环境下稳健生长的 COpop 培养物，并从中分离出克隆菌株 CO-1。研究发现，在 52Spop 阶段，菌株已具备在 CO 作为唯一碳源和能源下生长的能力，且该特性的获得可能源于适应而非进化。
- CO-1 的发酵性能评估：在生物反应器批次培养中，CO-1 在合成气和 CO 环境下均展现出高发酵性能。其最大生长速率μmax 在合成气和 CO 条件下分别达到0.20±0.03 h?1 和0.23±0.06 h?1 ，且能产生大量生物量和乙酸。这表明 CO-1 在合成气和 CO 转化方面具有独特优势，为合成气生物转化提供了有力的实践依据。
- 基因组分析揭示的遗传变化：对 CO 适应菌株进行全基因组测序发现，CO 适应菌株中存在少量单核苷酸变异（SNVs）和插入缺失（InDels），但这些突变对 CO 代谢基因的直接影响不明确。进一步研究发现，CO-1 菌株中存在一个 85,811 bp 的环形额外染色体转座元件TnCO?1 ，它由两个基因组位点重排形成，且其存在与菌株利用 CO 的能力密切相关。当改变碳源时，TnCO?1 的丰度会发生变化，在 CO 环境下其丰度显著增加，而在其他碳源（如葡萄糖）环境下则会减少。此外，通过敲除实验证实，失去TnCO?1 的菌株无法在 CO 环境下生长，这明确了TnCO?1 对菌株羧基营养型生长的关键作用。
- 稳态转录组学分析揭示的代谢变化：在稳态连续培养中，研究人员对 CO-1 和对照菌株 G-1 进行转录组学分析。结果显示，CO-1 中许多氧化还原相关基因的表达发生显著变化。其中，NAD?依赖的电子分叉 NADPH:Fd 氧化还原酶 Nfn 和 Ech2 复合物显著上调，而单功能 CO 脱氢酶 CODH 基因和乙酰辅酶 A 合酶 Acs 基因则下调。这表明在 CO-1 中，细胞通过调节这些基因的表达来平衡氧化还原状态，以适应 CO 环境下的生长。
- Ech2 过表达促进野生型菌株的羧基营养型生长：基于转录组学数据，研究人员发现 Ech2 在 CO-1 中的上调可能对 CO 适应至关重要。于是，他们在野生型背景下过表达 Ech2 基因，成功获得了能在 CO 环境下生长的菌株Ech2KJ 。尽管该菌株生长速度略低于 CO-1，但这一结果进一步证实了 Ech2 在促进菌株利用 CO 生长方面的重要作用。同时，对Ech2KJ 菌株的基因组分析发现，除了 Ech2 基因的过表达，还存在其他一些突变和基因组重排，这些变化可能共同影响了菌株的代谢和生长特性。
研究结论和讨论部分表明，研究人员成功驯化 Thermoanaerobacter kivui 使其高效利用 CO，CO-1 菌株生长速率远超以往报道的同类菌株。TnCO?1 的发现揭示了一种新的适应机制，它通过重排基因组影响基因表达，进而赋予菌株羧基营养型能力。此外，研究还发现 Ech2 在平衡氧化还原状态中起关键作用，其与 CODH 的协同表达有助于维持细胞内的氧化还原平衡，促进菌株在 CO 环境下的生长。这些发现不仅加深了人们对产乙酸菌适应 CO 机制的理解，还为合成气生物转化的工业应用提供了重要的理论基础和实践指导。在未来，有望基于这些成果进一步优化菌株性能，提高合成气生物转化效率，推动相关产业的发展。
