综述：适应性实验室进化改善产乙酸菌气体发酵

这篇综述系统阐述了适应性实验室进化（ALE）技术在优化产乙酸菌（acetogens）气体发酵性能中的应用，通过定向进化策略提升菌株生长速率、底物利用效率及工业耐受性，同时解析了Wood-Ljungdahl通路（WLP）关键基因型-表型关系（GPRs），为C1生物制造（CO/CO2转化）提供创新研究范式。

　　

引言

气体发酵利用产乙酸菌将工业废气（CO/CO₂）转化为乙醇、乙酸等高值化学品，其核心代谢路径Wood-Ljungdahl通路（WLP）可实现高达95%的碳转化效率。然而，产乙酸菌遗传操作困难、代谢网络认知不足限制了工业化进程。适应性实验室进化（ALE）通过模拟自然选择压力，无需预先基因知识即可获得性能提升的菌株，同时揭示关键代谢机制。

适应性实验室进化助力表型优化

加速生长与底物利用

ALE显著提升产乙酸菌在CO₂/H₂或合成气（CO+CO₂+H₂）中的比生长速率（μ_max）。例如，经ALE改造的Clostridium autoethanogenum在连续培养中生长速率提高1.5倍，而Thermoanaerobacter kivui通过逐步CO浓度适应，最终实现100% CO下的高效生长，最大OD值提升4.5倍。值得注意的是，ALE还意外拓展了产物谱，如Clostridium carboxidivorans进化后能合成庚醇、辛醇等长链醇类。

消除营养缺陷

逐步减少酵母提取物（YE）的ALE策略成功获得无YE依赖的C. autoethanogenum和C. ljungdahlii菌株，显著降低培养基成本。Eubacterium limosum经甲醇适应性进化后，同步消除了对半胱氨酸和YE的需求，为简化工业培养基提供范例。

提升胁迫耐受性

针对工业废气中常见毒素（如苯系物BTX、氰化物）的ALE筛选，使C. autoethanogenum对BTX的耐受性提高4倍，而Sporomusa ovata经阶梯式氧气压力进化后，竟能在5% O₂下生长并维持电合成活性。此外，乙酸耐受菌株的获得解决了产物抑制难题，使生物反应器运行稳定性显著增强。

强化生物反应器适应性

ALE进化菌株在连续培养中展现出卓越的鲁棒性。T. kivui进化株在合成气条件下μ_max达0.25 h^?1，而E. limosum ECO2-S6菌株的CO摄取速率提升2.5倍，为规模化生产奠定基础。

ALE深化代谢机制认知

突变分析揭示，CO脱氢酶/乙酰辅酶A合成酶复合体（CODH/ACS）是CO适应的关键靶点，在E. limosum、T. kivui等多物种中均发生高频突变。氢酶基因（如hydA1）和甲酸代谢相关蛋白（如mtaB）的突变则关联能量代谢重构。值得注意的是，T. kivui中85 kb的巨型转座子Tn_CO-1水平转移事件，直接介导了CO代谢通路的进化创新。

未来展望

结合自动化ALE平台与CRISPR-Cas9等基因编辑工具，将加速产乙酸菌的理性设计。例如，反向工程验证的spo0A基因突变可同步提升生长速率与孢子形成稳定性。此外，微生物电合成（MES）与ALE联用，有望突破电子传递效率瓶颈，推动碳中和生物制造发展。

（注：全文严格依据原文实验数据及结论缩编，未添加非文献支持内容）