红球菌lz1菌株利用非经典C1 同化途径实现自养生长的分子机制研究

本研究针对非经典自养细菌CO2 固定机制的科学空白，通过多组学技术解析了红球菌lz1菌株在自养条件下的独特代谢网络。研究人员发现该菌株缺乏已知碳固定途径基因，但通过[NiFe]-氢酶系统利用痕量H2 作为电子供体，并鉴定出一条新型CO2 →甲酸→甲醛→CH2 -THF→丝氨酸→丙酮酸的C1 同化路径。该发现为微生物碳循环调控和合成生物学应用提供了新靶点。

　　

全球变暖背景下，微生物驱动的碳固定过程成为缓解温室效应的关键突破口。传统认知中，自养微生物主要依赖卡尔文循环等六种经典途径固定CO₂
，但近年来在极端环境中陆续发现缺乏这些途径基因却仍能自养生长的"非典型自养菌"，挑战了现有理论框架。红球菌属(Rhodococcus)作为环境微生物中的"代谢多面手"，其潜在的自养能力与分子机制一直未被揭示。

中国普通微生物菌种保藏中心的研究团队以分离自环氧丙烷皂化废水活性污泥的Rhodococcus ruber lz1为研究对象，该菌株此前已知能高效合成生物可降解塑料PHBV。通过生理实验证实其在基础盐培养基(BSM)中不依赖外源碳源即可生长，基因组分析却未检测到任何已知碳固定途径核心基因。为破解这一矛盾现象，研究人员采用比较基因组学和转录组学技术，结合生理生化实验，系统揭示了该菌株独特的能量获取与碳同化机制。

关键技术包括：全基因组测序鉴定代谢通路基因缺失；比较转录组分析自养与异养条件差异表达基因；气相色谱检测H₂
消耗能力；qPCR验证氢酶基因表达水平。实验样本来源于实验室保藏的活性污泥分离菌株。

生长特性分析显示，lz1在自养条件下形成较小、浅色菌落，生长速率显著低于营养丰富的LB培养基，但通过无琼脂液体培养排除了培养基干扰。基因组注释发现该菌株虽缺失rubisco等碳固定关键酶，却具有完整的[NiFe]-氢酶成熟系统。转录组数据显示氢酶亚基hyaA/hyaB在自养条件下显著上调，结合气相色谱检测到的H₂
消耗能力，证实其利用大气痕量H₂
作为能源。

代谢通路重构揭示了一条非典型C₁
同化路径：CO₂
经甲酸脱氢酶转化为甲酸，通过亚甲基四氢叶酸(CH₂
-THF)介导的丝氨酸循环生成丙酮酸。该路径中甲酸脱氢酶、丝氨酸羟甲基转移酶等关键酶基因表达均显著上调。同时，糖异生(gluconeogenesis)、TCA循环和丙酮酸代谢相关基因协同激活，构成完整的碳流网络。值得注意的是，与PHBV合成相关的phbC基因在自养条件下表达增强，暗示该代谢模式可能有利于生物塑料生产。

研究结论指出，R. ruber lz1代表了一类新型"代谢混杂型"自养微生物，其通过整合氢氧化供能与非经典C₁
同化的双重策略，在缺乏传统碳固定装置的情况下实现自养生长。这一发现不仅拓展了对微生物碳固定多样性的认知，为地球化学模型提供了新的参数依据，其揭示的[NiFe]-氢酶与甲酸代谢耦联机制，为合成生物学改造"人工自养菌"提供了可借鉴的模块化设计蓝图。该成果发表于《International Biodeterioration》期刊，为开发基于微生物的碳捕获技术和可持续生物制造平台奠定了理论基础。