甲基营养型细菌Methylobacterium extorquens SLI 505中芳香酸代谢揭示甲基营养与异养途径的协同作用机制

本研究以植物叶际分离的甲基营养菌Methylobacterium extorquens SLI 505为模型，揭示了其通过独特代谢策略平衡芳香酸降解产生的甲醛（C1）与多碳中间体（如乙酰辅酶A）的分配：将甲醛导向异化途径（H4MPT依赖的氧化）而非同化，同时通过β-酮己二酸途径（β-ketoadipate）同化芳香环碳骨架。该发现为木质素（lignin）生物炼制提供了新思路。

　　

芳香酸代谢揭示甲基营养与异养途径的协同作用

ABSTRACT

木质素作为地球上最丰富的可再生碳源之一，其降解过程中释放的甲醛（formaldehyde）是制约微生物转化的关键毒性副产物。甲基营养菌Methylobacterium extorquens SLI 505展现出独特的代谢能力：在高浓度香草酸（vanillic acid）条件下生长时，通过分配甲醛至异化途径（而非同化），同时异养同化芳香环碳骨架，从而避免甲醛积累。这种策略最大化生物能量收益，为木质素生物炼制提供了新范式。

INTRODUCTION

木质素是植物细胞壁的主要成分，其降解产生的甲氧基芳香酸（如香草酸）会释放甲醛。传统模型菌株（如Pseudomonas putida KT2440）在香草酸浓度超过5 mM时因甲醛毒性生长受限。而甲基营养菌因其强大的甲醛解毒机制（如H₄MPT依赖的氧化途径），成为研究芳香酸代谢的理想对象。

RESULTS

甲基营养菌的浓度依赖性生长表型

SLI 505在0.5-6 mM香草酸（低浓度）下生长速率与生物量随碳源增加而提升，但在>6 mM（高浓度）时生长速率下降。值得注意的是，即使在高浓度下，细胞内甲醛浓度始终低于毒性阈值（<0.05 mM），与非甲基营养菌形成鲜明对比。

甲醛的命运：异化而非同化

通过¹³C标记实验发现，香草酸甲氧基碳（formaldehyde来源）仅部分掺入甲硫氨酸，其他氨基酸无标记，表明甲醛未被同化。遗传学证据进一步支持：缺失甲醛同化关键基因ftfL的突变体生长速率反而加快。

甲醛解毒的生理意义

缺失H₄MPT合成基因mptG的菌株在高浓度香草酸下生长速率显著降低，但最终生物量不变。尽管其甲醛积累量（0.1-0.2 mM）仍低于致死浓度，但NADPH/NADP⁺比值下降提示能量限制是主因——甲醛氧化至甲酸（formate）过程产生的NADPH对甲基营养菌至关重要。

转录组揭示的双重代谢特征

RNA-seq显示，低浓度香草酸下基因表达谱类似乙酸（纯异养），而高浓度下同时激活甲基营养（如H₄MPT途径）和异养（如TCA循环）相关基因。这种“双模式”表达可能为应对碳中间体的复杂分配需求。

混合底物利用的调控逻辑

在甲醇与低浓度香草酸共培养时，SLI 505呈现典型的二次生长（diauxie），优先利用甲醇；而高浓度香草酸与甲醇共存时，虽无二次生长，但仅同化香草酸碳骨架。NADPH/NADP⁺比值变化暗示其可能通过调节因子（如QscR）控制代谢流向。

DISCUSSION

本研究揭示了甲基营养菌通过“甲醛异化-多碳同化”策略突破芳香酸代谢瓶颈的机制。与工程菌株（如M. extorquens PA1）不同，SLI 505的mptG缺失株仍能存活，提示天然菌株可能存在替代甲醛氧化途径（如镧系依赖的醇脱氢酶）。该发现为设计高效木质素转化体系提供了理论依据，例如耦合香草酸代谢与聚羟基丁酸酯（PHB）合成途径的生物制造应用。

MATERIALS AND METHODS

实验采用MP培养基，通过¹³C同位素示踪、RNA-seq、代谢物检测（如HPLC-MS）及基因敲除（如CRISPR-Cas9）等技术，系统解析了SLI 505的代谢网络。所有数据均通过生物学重复验证，确保结论可靠性。