2023年11月27日，國際學(xué)術(shù)期刊Nature Communications在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心姜衛(wèi)紅與顧陽研究組的研究論文，題為“Discovery and remodeling of Vibrio natriegens as a microbial platform for efficient formic acid biorefinery”。該研究發(fā)現(xiàn)海洋微生物需鈉弧菌（Vibrio natriegens）具有特殊的耐受和代謝一碳資源化合物甲酸的能力，并通過代謝途徑設(shè)計和重塑創(chuàng)建了高效利用甲酸的人工菌株。

　　甲酸是重要的有機(jī)一碳化合物，既可以作為化工原料廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化學(xué)、皮革、橡膠工業(yè)等制造領(lǐng)域，同時也是一種儲能物質(zhì)，可以由二氧化碳通過光伏電還原生成，繼而作為廉價碳資源被生物體利用。微生物發(fā)酵在甲酸的同化和利用方面具有獨特優(yōu)勢，是此類碳資源轉(zhuǎn)化為各種高價值產(chǎn)品的重要技術(shù)路線。然而，目前已知的天然可利用甲酸的微生物較匱乏，并且存在代謝效率和生物量低、產(chǎn)物數(shù)量少等不足，發(fā)掘并構(gòu)建具有經(jīng)濟(jì)競爭力的高效甲酸代謝微生物底盤仍然面臨挑戰(zhàn)。

　　在該研究中，作者通過對多種微生物底盤細(xì)胞的功能比較，發(fā)現(xiàn)需鈉弧菌在以甲酸作為主要碳源時，無論是耐受性、代謝能力還是生長水平都具有顯著優(yōu)勢，是一種有潛力的甲酸利用底盤微生物。隨后，通過組學(xué)分析結(jié)合遺傳學(xué)實驗，揭示了需鈉弧菌的甲酸代謝途徑以及關(guān)鍵酶。為了突破自然局限，獲得更高效的甲酸利用底盤，作者巧妙地設(shè)計了一個“代謝陷阱”，將絲氨酸循環(huán)與三羧酸循環(huán)進(jìn)行融合，構(gòu)建了新的非天然代謝循環(huán)路徑，命名為S-TCA循環(huán)。該循環(huán)路徑形成的代謝高通量拉動了上游的甲酸同化代謝速率，從而獲得了比天然菌株代謝甲酸能力提高的人工需鈉弧菌S-TCA-1.0。該菌株被進(jìn)一步用于實驗室適應(yīng)性進(jìn)化，通過不斷提高培養(yǎng)基中甲酸的含量和持續(xù)傳代，出現(xiàn)了性能更為優(yōu)異的新菌株S-TCA-2.0。該馴化菌株在24小時內(nèi)能消耗78.9 g/L的甲酸鹽，代謝速率達(dá)到1.4 g/L/h，顯著高于目前報道的所有甲酸代謝微生物。

　　為了將甲酸轉(zhuǎn)化為高附加值的產(chǎn)品，作者在S-TCA-2.0菌株中引入了重要化學(xué)品——靛藍(lán)素的合成途徑。獲得的S-TCA-2.0-IE菌株能夠在72 h內(nèi)消耗165.3 g/L甲酸鹽，產(chǎn)生29.0g/L靛藍(lán)素。這項工作為甲酸的生物利用提供了全新的高效微生物底盤和設(shè)計思路。

　　中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心博士后田進(jìn)忠（目前是湘湖實驗室研究員）和博士研究生鄧王姝穎為該論文的并列第一作者，分子植物卓越中心顧陽研究員、姜衛(wèi)紅研究員和田進(jìn)忠博士為共同通訊作者。該研究得到了分子植物卓越中心楊晟研究組和公共技術(shù)服務(wù)中心的大力支持，并獲得國家重點研發(fā)計劃合成生物學(xué)專項和國家自然科學(xué)基金委項目的資助。

　　文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-43631-2#Sec9