金属依赖性甲酸脱氢酶助力大肠杆菌实现高效甲酸生物合成：迈向可持续甲酸生物经济的关键突破

本研究针对合成甲酸营养型微生物生长缓慢的关键瓶颈，通过在大肠杆菌中引入金属依赖性甲酸脱氢酶(cnFDH)并优化还原甘氨酸途径(rGlyP)，成功将甲酸营养型大肠杆菌的倍增时间缩短至4.5小时，达到天然甲酸营养菌水平。研究团队进一步利用该菌株实现了3.8 g/L甲羟戊酸的高效生产，并验证了从电化学还原CO2和木质素降解产物中获取甲酸的可行性，为建立可持续甲酸生物经济提供了关键技术支撑。

　　

随着气候变化加剧和化石资源枯竭，开发基于一碳(C1)原料的可持续生物制造技术迫在眉睫。甲酸作为一种理想的C1原料，具有完全水溶性、低毒性和多种来源途径等优势，但其工业化应用面临核心挑战：天然甲酸营养菌遗传工具匮乏，而工程菌株又存在生长缓慢、产物滴度低等问题。特别值得注意的是，现有合成甲酸营养型大肠杆菌依赖的假单胞菌来源甲酸脱氢酶(psFDH)存在催化效率低(k_cat≈10 s^-1)、蛋白表达负担重等缺陷，严重限制了菌株性能。

针对这一关键瓶颈，来自美国劳伦斯伯克利国家实验室等机构的研究团队在《Nature Communications》发表重要研究成果。研究人员创新性地采用金属依赖性甲酸脱氢酶(cnFDH)替代传统psFDH，通过短期适应性实验室进化(ALE)获得倍增时间仅4.5小时的快速生长菌株K4Me2，并实现了3.8 g/L甲羟戊酸的高滴度生产。这项工作不仅突破了合成甲酸营养菌的生长速度限制，还成功将电化学还原CO₂和木质素降解产生的甲酸转化为高附加值产品，为建立完整的甲酸生物经济提供了关键技术支撑。

研究主要采用以下关键技术方法：1)构建能量营养缺陷型大肠杆菌Δlpd作为甲酸脱氢酶活性筛选系统；2)通过全基因组测序分析适应性进化菌株的基因突变；3)利用蛋白质组学定量分析关键酶的表达水平；4)建立电化学CO₂还原制备甲酸的工艺；5)开发木质素氧化降解制备甲酸混合物的方法。

金属依赖性甲酸脱氢酶的功能表达
研究人员首先在能量营养缺陷型大肠杆菌Δlpd中验证了来自Cupriavidus necator的cnFDH复合体(fdsGBACD)功能。结果显示，仅占0.2%蛋白质组的cnFDH即可支持菌株生长，且倍增时间显著优于表达psFDH的对照菌株(后者需占用20%以上蛋白质组)。这一发现为后续在完整甲酸营养型菌株中的应用奠定了基础。

引入金属依赖性FDH并进化大肠杆菌
在已建立还原甘氨酸途径(rGlyP)的甲酸营养型大肠杆菌K4e中，研究人员用cnFDH替代原有psFDH获得K4M菌株。经过仅25代的短期适应性进化，获得倍增时间4.4±0.1小时的K4Me2菌株，其生长速度已接近最快的天然甲酸营养菌。全基因组测序发现进化菌株中lac操纵子突变导致cnFDH表达优化，而rpoC基因突变可能通过调控全局转录促进生长。

金属依赖性FDH菌株实现甲羟戊酸高产
在3 mL规模混合营养培养中，K4Me2_mev菌株的甲羟戊酸产量达到86.8±7.3 mg/L，显著高于原始K4e菌株。蛋白质组分析显示，cnFDH菌株能将更多蛋白质组资源分配给甲羟戊酸途径酶。在补料分批培养中，K4Me2_mev以甲酸为唯一碳源生产出3.8 g/L甲羟戊酸，创造了当时甲酸营养型生物合成的最高纪录。

电化学甲酸生物合成示范
研究人员通过电化学还原CO₂制备1.3 M甲酸(e-formate)，并成功用于甲羟戊酸(22.9±3.0 mg/L)和航空燃料前体异戊二烯醇(11.9±5.6 mg/L)的生产。这一过程实现了从CO₂到燃料分子的完整转化，展示了"反向燃烧"的碳循环利用潜力。

木质素衍生甲酸的生物转化
通过温和氧化(140°C)将木质素降解为富含甲酸(占可识别碳源的37%)的有机酸混合物，K4Me2_mev菌株成功将其转化为32.0±5.8 mg/L甲羟戊酸。这一结果为大规模廉价获取甲酸原料提供了新思路。

这项研究通过引入高效金属依赖性甲酸脱氢酶，解决了合成甲酸营养菌生长缓慢这一长期存在的关键瓶颈。所获得的K4Me2菌株不仅生长速度媲美天然甲酸营养菌，还能高效生产高附加值化学品。特别值得注意的是，研究团队从电化学还原CO₂和木质素降解两条路径获取甲酸原料，验证了甲酸生物经济的多元可行性。这项工作为发展不依赖农业用地的碳负性生物制造提供了重要技术路线，将推动微生物利用一碳原料生产燃料、材料和化学品的技术革新。