分子植物科学卓越创新中心姜卫红与顾阳研究组发现和重塑高效利用c1资源甲酸的细菌
文章来源：分子植物科学卓越创新中心 | 发布时间：2023-11-28 | 【】 【】
2023年11月27日，国际学术期刊nature communications在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心姜卫红与顾阳研究组的研究论文，题为“discovery and remodeling of vibrio natriegens as a microbial platform for efficient formic acid biorefinery”。该研究发现海洋微生物需钠弧菌（vibrio natriegens）具有特殊的耐受和代谢一碳资源化合物甲酸的能力，并通过代谢途径设计和重塑创建了高效利用甲酸的人工菌株。
甲酸是重要的有机一碳化合物，既可以作为化工原料广泛应用于医药、化学、皮革、橡胶工业等制造领域，同时也是一种储能物质，可以由二氧化碳通过光伏电还原生成，继而作为廉价碳资源被生物体利用。微生物发酵在甲酸的同化和利用方面具有独特优势，是此类碳资源转化为各种高价值产品的重要技术路线。然而，目前已知的天然可利用甲酸的微生物较匮乏，并且存在代谢效率和生物量低、产物数量少等不足，发掘并构建具有经济竞争力的高效甲酸代谢微生物底盘仍然面临挑战。
在该研究中，作者通过对多种微生物底盘细胞的功能比较，发现需钠弧菌在以甲酸作为主要碳源时，无论是耐受性、代谢能力还是生长水平都具有显著优势，是一种有潜力的甲酸利用底盘微生物。随后，通过组学分析结合遗传学实验，揭示了需钠弧菌的甲酸代谢途径以及关键酶。为了突破自然局限，获得更高效的甲酸利用底盘，作者巧妙地设计了一个“代谢陷阱”，将丝氨酸循环与三羧酸循环进行融合，构建了新的非天然代谢循环路径，命名为s-tca循环。该循环路径形成的代谢高通量拉动了上游的甲酸同化代谢速率，从而获得了比天然菌株代谢甲酸能力提高的人工需钠弧菌s-tca-1.0。该菌株被进一步用于实验室适应性进化，通过不断提高培养基中甲酸的含量和持续传代，出现了性能更为优异的新菌株s-tca-2.0。该驯化菌株在24小时内能消耗78.9 g/l的甲酸盐，代谢速率达到1.4 g/l/h，显著高于目前报道的所有甲酸代谢微生物。
为了将甲酸转化为高附加值的产品，作者在s-tca-2.0菌株中引入了重要化学品——靛蓝素的合成途径。获得的s-tca-2.0-ie菌株能够在72 h内消耗165.3 g/l甲酸盐，产生29.0g/l靛蓝素。这项工作为甲酸的生物利用提供了全新的高效微生物底盘和设计思路。
中国科学院分子植物科学卓越创新中心博士后田进忠（目前是湘湖实验室研究员）和博士研究生邓王姝颖为该论文的并列第一作者，分子植物卓越中心顾阳研究员、姜卫红研究员和田进忠博士为共同通讯作者。该研究得到了分子植物卓越中心杨晟研究组和公共技术服务中心的大力支持，并获得国家重点研发计划合成生物学专项和国家自然科学基金委项目的资助。
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