利用食氣梭菌轉化一碳氣體有效合成中長鏈化學品

　　綠色可持續制造模式是實現我國“碳達峰、碳中和”戰略目標的重要路徑。一個有效的解決方案是通過生物法實現工業含碳氣體的轉化利用，在減少碳排放的同時產生有價值的化學品。2021年9月22日，國際合成生物學期刊ACS Synthetic Biology在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心姜衛紅、顧陽研究組題為Metabolic engineering of gas-fermenting Clostridium ljungdahlii for efficient co-production of isopropanol, 3-hydroxybutyrate, and ethanol的研究論文。該研究通過對自養細菌——食氣永達爾梭菌 (Clostridium ljungdahlii) 的組合代謝工程改造，實現了利用富含CO2/CO的合成氣同步高效合成異丙醇、乙醇和3-羥基丁酸等重要產物，展示了食氣梭菌在工業含碳氣體生物轉化制備高值長碳鏈化合物方面的良好應用潛力。

　　在該研究中，科研人員基于前期建立的食氣梭菌高效分子技術平臺，首先在永達爾梭菌中引入異源合成途徑，打通了合成氣向異丙醇的轉化路徑，并通過對該途徑中基因表達水平以及拷貝數的優化，逐步提高了菌株的異丙醇合成能力。一個有趣的發現是，當菌株高效合成異丙醇的同時，研究人員檢測到了另一種重要化學品—3-羥基丁酸的合成，暗示永達爾梭菌具有內源途徑可將異丙醇合成途徑的中間代謝物轉化為3-羥基丁酸。通過生物信息學分析結合生化、遺傳學實驗，研究組鑒定出負責這一關鍵催化步驟的3-羥基丁酸脫氫酶，并通過替換性能更優的異源3-羥基丁酸脫氫酶基因進一步提高了3-羥基丁酸的合成，由此獲得了可有效聯產異丙醇、3-羥基丁酸以及乙醇 (永達爾梭菌的天然產物) 的工程菌株。此外，研究組繼續優化了該菌株的酸回用能力，通過引入和測試多種酸回用途徑基因的組合，有效消除了主要副產物——乙酸。最優工程菌株在連續供氣的發酵條件下，異丙醇、3-羥基丁酸和乙醇三種產物的總產量達到45 g/L，其中異丙醇產量超過13 g/L，顯著高于目前已報道的食氣梭菌合成水平。

　　上述研究結果揭示了食氣梭菌利用一碳氣體合成高值化學品的代謝特點及應用潛力，為這一重要工業微生物的多樣化細胞工廠創建提供了借鑒，推動了C1生物轉化技術的工業應用進程。

　　分子植物卓越中心博士研究生賈德臣為論文的第一作者，顧陽研究員為論文的通訊作者。研究工作獲得國家自然科學基金委員會、國家重點研發計劃、上海市科學技術委員會項目等資助。

　　基于微生物轉化的二氧化碳/一氧化碳氣體高值化利用

　　食氣永達爾梭菌工程菌利用合成氣生產異丙醇、3-羥基丁酸和乙醇