综述：工程化微生物碳代谢促进可持续资源利用

这篇综述系统探讨了通过代谢工程（Metabolic Engineering）和合成生物学（Synthetic Biology）改造微生物碳代谢网络，以葡萄糖、木质纤维素（Lignocellulose）和单碳（C1）化合物为底物生产化学品和生物燃料的进展。文章重点分析了底物利用的代谢通路优化、宿主耐受性工程及多组学（Multi-omics）与人工智能（AI）在菌株设计中的应用，为绿色生物制造（Green Biomanufacturing）提供了技术路线和产业化前景。

　　

Abstract

化石资源枯竭的紧迫性催生了以可再生碳源为基础的绿色生物制造。微生物通过代谢工程改造，可将葡萄糖、木质纤维素水解物及CO₂等C1化合物转化为高附加值化学品。本文综述了不同底物利用的代谢通路设计、宿主耐受性强化策略，并展望了多组学与机器学习（Machine Learning）在优化细胞工厂中的应用潜力。

Introduction

化石燃料占全球能源消耗的84.0%，但其不可再生性及温室气体排放问题亟待解决。生物精炼（Biorefining）利用微生物将生物质转化为化学品，但传统葡萄糖底物面临“与粮争地”矛盾。木质纤维素年产量达43-94亿吨，但其复杂组分（如木糖）的共利用需克服碳分解代谢抑制（CCR）。C1化合物（如CO₂）的微生物固碳技术虽处于早期阶段，但通过重构能量供应和还原力平衡，有望实现“负碳生产”。

Microbial conversion of glucose to chemicals

葡萄糖作为传统底物，其代谢通量分配不均制约生产效率。通过动态调控糖酵解（Glycolysis）和三羧酸循环（TCA）关键酶表达，可平衡生长与产物合成。例如，敲除磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）可增加前体供应，提升聚羟基脂肪酸酯（PHA）产量。

Microbial utilization of non-conventional feedstocks

木质纤维素水解产生的葡萄糖与木糖存在“碳偏好性”。改造木糖转运蛋白（XylE）和异化途径（如木酮糖激酶XylB过表达）可实现共利用。此外，耐受工程可缓解呋喃醛类抑制物毒性，如过表达醛还原酶（ADH）提升菌株存活率。

Microbial valorization of C1 feedstocks

C1化合物利用需解决能量效率问题。设计合成卡尔文循环（Calvin Cycle）或核酮糖单磷酸途径（RuMP），并辅以甲酸脱氢酶（FDH）增强还原力（NADPH）供应，可提升CO₂固定速率。甲烷氧化菌（Methanotrophs）通过颗粒性甲烷单加氧酶（pMMO）将甲烷转化为甲醇，为C1链延伸提供平台分子。

Concluding remarks

未来需结合基因组尺度模型（GEMs）和AI预测代谢瓶颈，开发通用型C1菌株。木质纤维素与C1技术的耦合将推动“零碳生物精炼”，但降低生产成本仍是产业化核心挑战。