《Biotechnology Advances》：Engineering
Methylobacterium as a C1 biomanufacturing platform: Metabolic architecture, regulatory networks, and synthetic biology strategies
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•甲基杆菌作为C1底盘用于低碳制造而进化。•镧系元素可切换的PQQ-MDH系统可实现高效的甲醇氧化。•调控网络缓冲甲醛毒性并调节甲醇同化。•丝氨酸循环-EMC偶联实现C1同化并伴随CO?固定。•产品-底盘匹配框架指导可持续化学品的生物生产。引言有机一碳（C1）化合物，包括甲醇、甲
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甲基杆菌作为C1底盘用于低碳制造而进化。
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镧系元素可切换的PQQ-MDH系统可实现高效的甲醇氧化。
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调控网络缓冲甲醛毒性并调节甲醇同化。
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丝氨酸循环-EMC偶联实现C1同化并伴随CO?固定。
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产品-底盘匹配框架指导可持续化学品的生物生产。
引言
有机一碳（C1）化合物，包括甲醇、甲烷和甲酸盐，资源丰富、价格低廉，且日益被认为是下一代生物制造（Barone等，2025）的可持续原料。其中，甲醇因其较高的还原程度而成为特别有吸引力的底物，每个碳原子携带六个电子，从而与葡萄糖或甘油等传统微生物原料相比具有更优异的能量密度（Guo等，2023）。全球甲醇排放量每年约达160 Tg（Müller等，2026），其中植物贡献了大部分，主要通过生长过程中的果胶去甲基化和衰老过程中的木质素降解（Ohsawa等，2021；Yousaf等，2024）。工业甲醇长期以来由化石来源的合成气合成，并作为通过化学合成方法生产甲醛、甲胺、二甲醚、乙酸和其他化学品的前体（Dalena等，2018）。然而，绿色甲醇合成路线的快速发展，包括CO?电化学还原和生物质气化，已将甲醇重新定位为二氧化碳价值化和低碳制造的核心节点（Cai等，2022；Claassens等，2019；Wang等，2024）。除其有利的氧化还原特性外，甲醇与水完全互溶，易于运输和储存，且在很大程度上与食品供应链和季节性变化脱钩（Guo等，2024）。这些特性共同使甲醇成为第三代工业生物技术的关键原料（Liu等，2020a）。
甲基杆菌属是需氧的、兼性α-变形菌甲基营养菌，能够利用甲醇作为碳源和能源（图1），在土壤、废水和植物叶际等甲醇丰富的生态位中具有竞争优势（Delmotte等，2009）。除了甲基营养生长外，这些细菌还能利用多种多碳底物，如有机酸和醇类，反映出高度的代谢多功能性。自1976年甲基杆菌属正式建立以来，有效种的数量已扩展至七十多种，其中扭脱甲基杆菌AM1已成为解析甲基营养代谢的主要模式生物（Alessa等，2021）。五十多年来，从经典生物化学到现代多组学和基因编辑，已形成了对C1代谢网络的系统级理解，并得到基因组尺度代谢模型的支持（Gourion等，2006；Ochsner等，2015；Peyraud等，2011；Vorholt等，2000）。随着这一理解的成熟，甲基杆菌已超越其模式生物的角色，成为独特催化模块的储存库和在异源宿主中工程化甲基营养性的概念蓝图。
合成生物学的最新进展进一步将甲基杆菌扩展为可编程的C1底盘，而不仅仅是天然的甲基营养菌。对其调控架构的详细解析揭示了镧系元素可切换的甲醇脱氢酶（MDH）系统、代谢物响应型转录调控因子和甲醛响应型应激回路，它们共同协调碳通量、氧化还原平衡和细胞稳健性（Hying等，2025；Ochsner等，2017；Vu等，2016）。在代谢水平上，吡咯并喹啉醌（PQQ）依赖性甲醇氧化、四氢甲蝶呤（H?MPT）介导的甲醛缓冲，以及丝氨酸循环与乙基丙二酰辅酶A（EMC）途径的紧密偶联，提供了内在碳保守但能量可调的同化框架（图1）（Hying等，2025；Krüsemann等，2023；Ochsner等，2015）。利用这些内在代谢特征，近期的研究开发了多种工程策略，使基于甲基杆菌的细胞工厂能够生产高价值化学品，如叶酸衍生物、氧化还原辅因子、有机酸、萜类化合物、生物塑料和单细胞蛋白（SCP）（Mo等，2023；Simoes等，2022；Yang等，2024a；Yang等，2018；Yuan等，2021；Zhao等，2021）。
本综述首先对甲基杆菌的代谢特征和甲醇利用调控网络进行了独特概述。然后我们考察如何战略性地利用这些固有代谢特性来支持特定高价值化学品的生物合成。随后，我们讨论系统底盘优化的工程策略，包括全局转录调控、代谢阀门调控、丝氨酸循环重塑、双C1同化途径构建，以及光甲基营养型和混养型构型的开发。此外，还对甲基杆菌底盘进行了综合评估，讨论了具体的产品-底盘匹配规则、常见工程瓶颈和多样化的低成本原料。最后，我们概述了产品-底盘匹配框架和未来研究方向，旨在通过调控控制、通量协调和稳健性增强来强化甲醇价值化。
章节片段
甲基杆菌中C1代谢的特殊特征
在甲基杆菌属中，甲醇首先被周质中的PQQ依赖性MDH氧化为甲醛，然后通过H?MPT依赖性途径转化为甲酸盐。甲酸盐随后进入两条代谢途径：完全氧化为CO?以产生还原当量，或通过自催化丝氨酸循环同化为生物质，该循环整合了四氢叶酸（THF）介导的C1转移，并与EMC途径和部分三羧酸（TCA）循环紧密协调运作。
甲基杆菌C1代谢的高附加值产物
甲基杆菌作为C1生产底盘的价值不仅源于其代谢甲醇的能力，更在于其中心代谢架构与特定产品类别的前体、氧化还原和调控需求之间的内在匹配。在许多情况下，生产由天然的高通量节点、内置的氧化还原平衡机制或生长偶联的代谢物合成所支持，共同降低了相对于异养宿主的工程负担。
甲基杆菌中心代谢的重塑
在甲基杆菌中，甲醇同化通过一个紧密协调的代谢网络运作，整合了丝氨酸循环、EMC途径和TCA循环。与通常在异养宿主中工程化的线性代谢模块不同，这种环状架构将碳同化、氧化还原平衡和能量生成偶联在一起。因此，传统的推-拉-阻策略往往会破坏这种协调，导致生长或碳效率下降（Cui等，2016）。
甲基杆菌底盘的系统分析：优势与内在限制
甲基杆菌天然拥有周质PQQ依赖性MDH系统。这种架构提供了强大的热力学驱动力和有利的催化动力学，即使在低底物浓度和环境温度下也能实现高效的甲醇氧化，支持在环境相关和工业实践条件下稳健生长（Karaseva等，2022；Krüsemann等，2023；Reiter等，2024）。此外，丝氨酸循环与EMC途径紧密偶联，
展望与结论
尽管在工程化甲基杆菌用于化学品生产方面取得了相当大的进展，但只有SCP实现了工业规模实施（Jones等，2020）。对于大多数其他化合物，制造成本仍高于商业可行性，主要是由于低产物滴度和甲醇转化效率。实现甲基杆菌作为C1生物制造平台的完全潜力，需要在基础理解、途径工程和
致谢
本工作受国家自然科学基金（22478217、22078169和32500008），以及山东省自然科学基金（ZR2025MS231、ZR2024MC210）资助。
卢瑶|马增欣|刘喆|谭玲玲|杨松
