通过集成纳米技术及转录引导的代谢重编程培育能量耐受性强的产乙醇梭菌

《TRENDS IN Biotechnology》：Engineering energy-robust Clostridium autoethanogenum via integrated nanotechnology and transcription-guided metabolic reprogramming

　　

技术成熟度

尽管Clostridium autoethanogenum是理想的合成气发酵菌株，但其Wood–Ljungdahl途径存在严重的生物能量障碍，限制了其生长、生物量产生以及产物合成。本研究采用外源能量输入与内源代谢重编程相结合的策略，构建了一种由牛血清白蛋白稳定的金纳米粒子（AuNPs@BSA）与C. autoethanogenum组成的生物混合系统。通过等离子体介导的热电子转移，该系统能够补充细胞内的ATP并维持氧化还原平衡。结合转录组分析以确定关键的能量模块和调控因子，研究人员运用推拉阻策略培育出了工程菌株CAB181。与对照组相比，该菌株的乙醇产量提高了46.5%，乙酸产量提高了35.1%，总酸醇产量则提升了34.2%。此外，转录组和蛋白质组分析进一步揭示了CAB181提高乙醇和乙酸产量的潜在代谢重编程机制。目前该技术的技术成熟度为1–3级，尚未实现工业化应用。为提升该技术的稳定性和适用性，还需进行更大规模的发酵试验、工艺优化以及基因组整合改造。同时，该技术可以利用工业废气/合成气来实现二氧化碳减排，具有广阔的应用前景。

要点总结

构建了一种基于牛血清白蛋白稳定的金纳米粒子与Clostridium autoethanogenum的生物混合系统，该系统在光照条件下能够提升ATP水平并重新调节氧化还原平衡。

通过转录组分析及功能验证，进一步确定了关键的能量相关因子。

采用了推拉阻工程策略培育出CAB181菌株，从而提升了合成气发酵过程中的乙醇、乙酸以及总酸醇的产量。

转录组-蛋白质组分析证实了该菌株的代谢重编程现象，并阐明了其高产机制。

建立了将外源能量供应、转录组分析以及内源代谢工程相结合的整合框架，为优化微生物细胞工厂中的能量供需平衡及提升生物合成效率提供了参考策略。

摘要

微生物转化一氧化碳和二氧化碳为C1类气体提供了一种极具潜力的利用途径，但产乙酸的合成气发酵仍受到生物能量瓶颈的制约。为解决这一问题，研究人员构建了一种将牛血清白蛋白稳定的金纳米粒子与Clostridium autoethanogenum相结合的生物混合系统，该系统能够在光照条件下提升细胞内ATP水平、调节氧化还原平衡并促进细胞生长。通过对该系统的转录组分析，研究人员系统地识别出了与增强细胞能量代谢相关的关键能量复合体及正向调控因子。基于这些发现，研究人员运用推拉阻策略培育出了目标菌株CAB181，该菌株的乙醇、乙酸以及总酸醇的产量分别提高了46.5%、35.1%和34.2%（以OD₆₀₀值表示）。多组学分析进一步证实了CAB181存在分子层面的代谢重编程现象。这项研究为提升基于C. autoethanogenum的微生物细胞工厂的生物能量稳定性及发酵性能提供了有效策略，同时也为未来其他产乙酸微生物的工程化改造提供了参考框架。

图形摘要