一种新分离的野生型铜绿假单胞菌（Cupriavidus）菌株通过乙醇驱动的多羟基脂肪酸的生物合成

《Microbiological Research》：Ethanol-driven biosynthesis of polyhydroxyalkanoates by a newly isolated wild-type Cupriavidus strain

　　

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  新型野生型Cupriavidus菌种可直接将乙醇转化为聚羟基烷酸（PHAs）。
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  未经改造的菌株在培养基中产生的PHB浓度达到了5.07 g/L。
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  转化产率（0.51 g/g）达到了理论最大值的55%。
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  天然的代谢灵活性使得PHBV和P34HB共聚物的合成成为可能。

引言

聚羟基烷酸（PHAs）是一类由多种细菌在营养受限条件下合成的天然存在的 polyester，可作为细胞内的碳和能量储存物质。由于PHAs可以利用可再生资源生产，并且在废弃后能被微生物降解，因此被视为循环经济中的有前景组成部分（Lenz和Marchessault，2005；Medeiros Garcia Alcantara等人，2020；Sirohi等人，2020；Sudesh等人，2000）。除了环境优势外，PHAs还具有与传统石油基塑料不同的材料特性，包括生物相容性、可降解性，在某些情况下还具备压电性（Bugnicourt等人，2014；Koller，2018；Steinbüchel和Lütke-Eversloh，2003；Thorat Gadgil等人，2017）。这些特性使得PHAs在组织工程、药物输送、缝合材料以及农业制剂等领域得到应用（Duan等人，2017；Kassab等人，1997；Sendil等人，1999；Sodian等人，2000；T. Volova等人，2003）。然而，其商业化应用仍受生产成本限制，尤其是原料成本的高企。因此，寻找廉价、可持续且代谢上优越的碳源对于推进PHAs的工业生物制造至关重要。

在新兴的原料中，乙醇越来越被认为是微生物转化为高价值产品的理想底物。乙醇传统上通过乙烯水合等石化途径生产（Latif等人，2023），但现在也可以通过可再生木质纤维素生物质（Zabed等人，2016）、利用产醋酸微生物进行气相发酵（Bertsch和Müller，2015），或通过电化学和催化方法从二氧化碳（CO?）制备（Xu等人，2020；Ye等人，2020）来生产。这些技术的进步显著提升了乙醇作为工业生物技术多用途碳源的可行性。重要的是，乙醇在代谢上比糖类具有更多优势：它通过较少的酶促步骤转化为乙酰辅酶A（acetyl-CoA），在吸收过程中不消耗ATP，且不释放二氧化碳（Ma等人，2022；Sarwar等人，2022；Wang等人，2022）。因此，基于乙醇的生物转化往往能够获得比传统底物更高的理论产率。对于PHB而言，从乙醇到PHB的理论产率可达0.93 g/g，几乎是葡萄糖（0.48 g/g）的两倍（Sun等人，2020）。此外，乙醇不带电荷，因此在发酵过程中不会像有机酸那样导致pH值波动，从而简化了大规模生产的工艺控制（Liang等人，2021）。

尽管有这些优势，能够直接将乙醇转化为PHAs的天然高效微生物仍然十分罕见。大多数已报道的系统都依赖于大量的代谢工程改造。例如，经过异源乙醛脱氢酶活性引入的工程化Pseudomonas putida菌株在摇瓶培养中的PHB产量达到1.39 g/L，在3升生物反应器中的产量达到9.30 g/L（Nguyen等人，2022）。同样，经过竞争性代谢途径去除后的工程化Halomonas bluephagenesis菌株在摇瓶中产生的PHB产量为4.24 g/L，在5升生物反应器中的产量为64.89 g/L（Liu等人，2025）。在Escherichia coli中，尽管其本身不易在乙醇上生长，但通过强制有氧乙醇氧化支持了PHB的生产，但这需要经过广泛的代谢途径重建和长时间发酵（Liang等人，2021；Sun等人，2020）。虽然乙醇也被用于合成甲瓦龙酸（Cao等人，2020；Yang等人，2019）、异丙醇（Wang等人，2022）、3-羟基丙酸（Lu等人，2022）和β-1,3-葡聚糖（Li等人，2025），但这些系统往往存在代谢负担大、代谢途径不稳定以及工业应用稳定性不佳的问题。因此，一种能够高效吸收乙醇并无需构建异源代谢途径即可合成PHAs的天然菌株将是一个重要的进展。

Cupriavidus属的菌种，尤其是模式菌株C. necator H16，以其高效的天然PHA合成途径而闻名。由于乙醇可以直接氧化为乙酰辅酶A且不会损失碳，这种具有将乙酰辅酶A转化为聚合物积累能力的微生物成为基于乙醇的PHA生物制造的有希望的选择。早期针对该属的PHA研究主要集中在Alcaligenes eutrophus上（Cupriavidus necator的旧分类名称）。例如，一种A. eutrophus突变株能够在7升 fed-batch生物反应器中仅使用乙醇和丙醇作为碳源合成PHB和PHBV（Alderete等人，1993）。后续研究显示，通过将碳源从纯乙醇切换为乙醇和戊醇混合物，可以实现PHBV共聚物的合成（Park和Damodaran，1994）。然而，由于这些早期研究主要依赖于突变株和特殊的酒精喂养条件，野生型Cupriavidus菌株直接吸收乙醇并进行高效PHA生产的天然能力尚未得到充分探索。

本文报道了一种此前未报道的野生型Cupriavidus菌株ZWJ01的分离与特性分析。这种菌株无需基因工程改造即可高效转化乙醇为PHB，并能在添加前体底物的情况下合成PHBV和P34HB等功能性共聚物。通过对生长行为、底物利用及培养条件的系统评估，我们确认ZWJ01是一种有潜力的天然菌株，适用于可持续的基于乙醇的PHA生物制造，并为这种非传统底物的聚合物形成机制提供了新的见解。

章节片段

PHA生产用细菌的分离

从中国云南普洱市某酒厂的表层土壤（深度5-10厘米）中采集了土壤样本。细菌筛选在含有以下成分的矿物盐（MS）培养基中进行：每升10克NaCl、5克酵母提取物、9.65克Na?HPO?·12H?O、1.5克KH?PO?、1克NH?Cl、0.4克MgSO?·7H?O、1%（体积比）微量元素溶液I和0.1%（体积比）微量元素溶液II。培养基的pH值用NaOH调节至7.0。微量元素溶液I（每升含0.5摩尔HCl）含有5克Fe(III)-NH?-citrate和2克...

ZWJ01菌株的分离与鉴定

经过系统化的土壤样本筛选后，一种名为ZWJ01的菌株在含有乙醇的培养基中表现出优异的生长能力和显著的PHB积累。16S rRNA基因测序和同源性分析显示其与Cupriavidus alkaliphilus的相似度为99.39%，系统发育分析进一步确认ZWJ01与 HY38属于同一类群（图1）。基于这些结果，该菌株被鉴定为Cupriavidus sp. ZWJ01。

结论

本研究发现了一种新分离的野生型Cupriavidus菌株ZWJ01，它具有将乙醇高效转化为PHA的独特能力。未经基因工程改造，该菌株在培养基中的PHB产量达到5.07 g/L，转化产率为0.51 g/g，优于此前报道的多种工程化系统。除了PHB外，ZWJ01还能通过添加前体底物合成PHBV和P34HB等功能性共聚物，展现出广泛的代谢灵活性和巨大的应用潜力。

资金支持

本研究得到了中国国家自然科学基金（U22A20426）的资助。

CRediT作者贡献声明

Zheng-Jun Li：撰写、审稿与编辑、项目统筹、概念设计。 Yuheng She：实验设计、数据整理。 Wenjie Zhang：初稿撰写、方法学研究、实验实施。

Wenjie Zhang | Yuheng She | Zheng-Jun Li