酶促全细胞过程在C1构建块利用中的工业应用前景与合成生物学突破

为应对化石资源枯竭与温室气体排放问题，研究人员聚焦C1分子（CO2/CH4/HCOOH等）的生物转化，通过改造天然酶（如sMMO/MDH/FalDH）、设计合成代谢通路（如THETA/CETCH循环）及开发杂交系统，实现了从单碳到高值化学品的高效转化。该研究发表于《Nature Communications》，为碳循环经济提供了创新性生物制造方案。

　　

在全球碳减排压力与化石资源枯竭的双重挑战下，如何将温室气体转化为高附加值化学品成为科学界焦点。传统化学转化过程能耗高且选择性差，而自然界存在的C₁代谢途径（如卡尔文循环）效率低下，难以满足工业需求。更棘手的是，甲烷氧化酶（MMO）等关键酶存在氧敏感性，而人工设计的合成生物系统常面临代谢流失衡问题。这些瓶颈严重制约了碳循环经济（CCE）的生物技术实现。

来自奥地利格拉茨大学（University of Graz）等机构的研究团队在《Nature Communications》发表突破性研究，系统评估了酶催化与全细胞系统在C₁转化中的工业适用性。通过整合天然酶工程改造、合成通路设计和杂交系统优化三大策略，成功构建了高效碳固定平台。研究特别强调专利分析显示，甲醛脱氢酶（FalDH）和甲醇脱氢酶（MDH）相关技术已成为商业开发热点，而新兴的细胞游离系统虽在实验室阶段表现优异（如人工淀粉合成途径效率达天然系统的8.5倍），但尚未进入工业化阶段。

关键技术方法包括：（1）蛋白质理性设计改造天然酶活性中心（如sMMO的C151E突变体）；（2）模块化构建合成代谢通路（如包含17种酶的CETCH循环）；（3）工程化模式菌株（大肠杆菌E. coli和毕赤酵母K. phaffii）的适应性实验室进化；（4）高压气体发酵系统优化质量传递效率；（5）电化学-生物催化耦合系统实现CO₂连续转化。

【天然酶工程突破】

研究人员重点改造了可溶性甲烷单加氧酶（sMMO）的疏水口袋残基（R98/L110），使其对芳香底物的转化效率提升5倍。更引人注目的是，通过铁蛋白支架重构的微型sMMO（mini-sMMO）在E. coli中实现0.32 s^-1的周转频率，甲醇产率达3.0 g/L。针对甲醛毒性问题，Pseudomonas putida来源的谷胱甘肽非依赖型FalDH经NAD结合域改造后，对非天然辅酶NCD的偏好性提高150倍。

【合成代谢通路设计】

在E. coli中建立的还原性甘氨酸途径（rGlyP）使甲酸 assimilation效率提升4倍，而人工设计的THETA循环通过三个模块（各含5-7个酶）实现2.7 nmol CO₂ min^-1 mg^-1的固定速率。特别创新的Lcm模块利用钴胺素依赖的变位酶将3-羟基丙酰辅酶A转化为乳酰辅酶A，首次实现好氧条件下的净CO₂固定。

【杂交系统创新】

体外构建的CETCH循环通过17种酶协同作用，CO₂固定速率达5 nmol min^-1 mg^-1。而光敏自补给系统（rGPS+MCG）在无细胞环境下实现乙酰辅酶A、丙酮酸和苹果酸的连续合成。最令人振奋的是人工淀粉合成途径（ASAP），将CO₂经甲醇中间体转化为淀粉的效率超越玉米天然途径。

该研究证实：工程化甲基营养型E. coli（倍增时间4.3小时）可生产1 g/L itaconic acid，而改造后的K. phaffii能利用甲醇合成21 g/L 3-羟基丙酸（3-HP）。专利分析显示，C₁生物转化技术已进入商业化阶段，如LanzaTech利用产乙酸菌实现46,000吨/年乙醇生产（TRL 9）。但研究也指出关键挑战：RuBisCO的催化效率瓶颈尚未突破，而气体发酵的传质限制仍需通过反应器设计优化。

这项研究为碳负性生物制造提供了多维度解决方案，其重要意义在于：（1）建立了从酶分子改造到系统生物学的全链条技术体系；（2）证明了合成生物学设计可超越自然进化限制（如THETA循环的能量效率优势）；（3）通过工业适用性评估为技术转化指明方向。随着Solar Foods等初创公司推动H₂氧化菌产业化，这项研究可能重塑未来化学品生产格局，使"废物变财富"的循环经济愿景成为现实。