代谢工程改造丙酮丁醇梭菌(Clostridium pasteurianum)实现高效生物制氢：遗传调控与添加剂协同策略

为解决生物制氢效率低、遗传操作困难等问题，研究人员通过优化电转化体系（7.5×102 CFU/μg DNA）构建可调表达载体，过表达内源氢酶基因（C00280、RS16520等）并结合纳米Fe3O4、核黄素等添加剂，使氢产量最高提升6.87倍，为清洁能源开发提供新思路。

　　

在全球能源转型与碳中和背景下，氢能因其零碳排放和高能量密度成为焦点。然而，传统制氢方法依赖化石燃料，而生物制氢虽环保却面临效率瓶颈。其中，丙酮丁醇梭菌(Clostridium pasteurianum) DSM525虽具备高产氢潜力，却受限于遗传工具匮乏和代谢网络复杂。如何突破其转化效率低、氢酶活性不足等瓶颈，成为实现规模化应用的关键。

针对这一挑战，中国科学院大连化学物理研究所等机构的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表论文，通过多维度策略显著提升该菌株的氢产量。研究首先优化超声辅助电穿孔技术，将转化效率提升至7.5×10² CFU/μg DNA；随后构建新型诱导型质粒pMTL-IV-tetR，实现氢酶基因的精准调控；结合金属离子（Ni²⁺、Fe²⁺）和电子介体（核黄素）的协同作用，最终使工程菌株产氢量较野生型提高近7倍。

关键方法

1. 遗传操作体系优化：通过DNA甲基化修饰和电穿孔参数调整克服限制性内切酶屏障；
2. 质粒设计：基于pMTL85151骨架构建含Tet操纵子的诱导表达系统；
3. 代谢强化：筛选Fe₃O₄纳米颗粒（25 ppm）、核黄素（70 ppm）等最优添加剂组合；
4. 基因过表达：靶向调控内源氢酶基因簇（如[FeFe]-氢酶C00280和RS16520）。

主要结果

1. 构建可诱导表达系统
通过合成生物学手段设计pMTL-IV-tetR质粒，首次在梭菌中实现四环素调控的基因表达，为复杂代谢网络研究提供工具。

2. 氢酶基因功能验证
过表达C00280和RS16520使氢积累量分别增加6.18倍和6.87倍，证实[FeFe]-氢酶在电子传递链中的核心作用。

3. 添加剂协同效应
发现Fe₃O₄可促进细胞外电子传递，而Ni²⁺作为[NiFe]-氢酶辅因子，与核黄素共同优化氧化还原平衡。

结论与意义
该研究通过“遗传改造-代谢调控”双轨策略，不仅建立了梭菌高效遗传操作平台，更揭示了氢酶与电子传递网络的协同机制。工程菌在优化条件下可实现2.5 L H₂/L培养基的产量，为工业级生物制氢奠定基础。专利技术（202411845559.4等）的申请进一步凸显其应用价值，推动绿色能源从实验室走向产业化。