随着社会工业化进程加速和人口数量攀升，气候变化已经成为 21 世纪全球面临的严峻挑战，对人类的生存和发展造成了严重威胁。
作为一个复杂而庞大的问题，气候变化的根源在于人类活动产生的温室气体排放，包括传统的石油化工产业等。合成生物学的发展为气候变化问题提供了一种新的解题思路，比如以二氧化碳等温室气体为原料通过工程微生物代谢途径来生产高值化合物，从而减少对传统石化产业的依赖，降低碳排放。
近期，瑞士苏黎世联邦理工学院微生物研究所Julia Vorholt团队设计并构建出一种“甲基营养型大肠杆菌”，能够以甲醇为底物生产多种高值化学品，为未来甲醇工业规模生物生产提供了新策略。目前，这项研究已经以“A synthetic methylotrophic Escherichia coli as a chassis for bioproduction from methanol”为题发表在Nature Catalysis上。
▲图｜（来源：Nature Catalysis）
为了应对气候变化挑战，2015 年，《巴黎协定》制定了本世纪后半叶将温室气体排放量降至净零的目标。如今全球越来越多的国家政府正在将其转化为国家战略，纷纷提出“零碳”或“碳中和”的气候目标。中国于 2020 年 9 月向联合国大会宣布了“双碳目标”，努力在2030 年实现碳达峰，2060 年实现碳中和。
然而，碳密集型的传统石油化工行业是现阶段实现碳中和所面临的主要挑战之一，毕竟人类日常生活中的绝大多数化学品都是基于传统石化工业生产的。
作为实现碳中和目标的有效途径，“可再生绿色甲醇”的生物转化将有望能够实现低碳（或负碳）化学品的可持续、低成本生产。其中的底物，可再生绿色甲醇可由生物质可持续生产或由温室气体二氧化碳进行合成。与传统生物技术相比，以甲醇为底物的生物合成生产工艺不依赖于农业粮食资源。所谓负碳化学品，是指在生产和使用过程中能够吸收（或减少）等同于（或多于）其排放的二氧化碳的产品。
想要实现甲醇的高效生物转化，离不开合适的微生物生产底盘。事实上，自上世纪 70 年代以来，研究人员就已经开始探索利用天然甲醇的微生物，即甲基营养型细菌（甲基营养菌）。起初，这些甲基营养菌主要是用于单细胞蛋白质的生产，直到近年来才将其用于各种化学品的生物合成，然而现阶段由于缺乏先进的遗传工具和生物处理经验，这类甲基营养菌底盘很难用于大规模的工业生产。
作为一种模式微生物，大肠杆菌已经成为当今工业规模发酵生产的“主力军”，目前业界也正在研究如何将其改造并开发成为一种甲基营养菌，一旦让大肠杆菌具有在甲醇中生长的能力，意味着使绿色甲醇的使用成为可能，进而能够将温室气体转化为各种高值化学品。
围绕于此，曾有研究团队设计构建出一种大肠杆菌菌株，可以通过还原甘氨酸途径在甲醇中生长，菌株倍增殖时间约为 54 小时。
▲图｜基于合成甲基营养型大肠杆菌进行生物生产（来源：Nature Catalysis）
在先前的研究中，Julia Vorholt和团队在大肠杆菌中设计和进化了高效的单磷酸核酮糖（RuMP）循环，菌株的倍增殖时间仅为8 小时，然而，这些合成的甲基营养型大肠杆菌用于甲醇生物生产工程尚未被开发。在先前研究的基础之上，他们在这项新研究中建立了一种合成的甲基营养型大肠杆菌（MEcoli_ref_2）用于甲醇生物生产的新模式。
首先，他们通过长期适应性进化进一步优化了大肠杆菌在甲醇中的生长，将菌株的倍增殖时间缩短为4.3 小时，比天然甲基芽孢杆菌更快（其在 37℃ 下的倍增殖时间约为 5 小时）。
▲图｜甲醇对四个不同代谢节点产物的生物转化（来源：Nature Catalysis）
接下来，为了利用这种底盘建立甲醇的生物生产，他们基于 MEcoli_ref_2 菌株展示了四个代谢节点的生物合成，比如，丙酮酸途径合成的乳酸（Lactic acid），乙酰辅酶 A 途径合成的聚羟基丁酸（PHB），三羧酸循环合成的衣康酸（ltaconic acid），以及来自莽草酸途径合成的对氨基苯甲酸（PABA），并通过 MEcoli_ref_2 菌株从甲醇生产乳酸、衣康酸、聚羟基丁酸和对氨基苯甲酸。
最后，他们展示了 MEcoli_ref_2 菌株在甲醇分批补料生物反应器中高密度生长，并提高衣康酸的产量，衣康酸滴度达到1g/L。
▲图｜通过高密度细胞培养提高了衣康酸的产量（来源：Nature Catalysis）
总的来说，这项研究构建了一种合成甲基营养型大肠杆菌菌株 MEcoli_ref_2，实现了与天然甲基营养菌相当的生长能力，并基于该菌株实现了甲醇的生物转化。他们通过试验展示了这种合成甲基营养型大肠杆菌的潜力，为未来甲醇的工业生物转化应用提供了新策略。
“在朝着负碳化学品和稳定温室气体迈进过程中，这项研究将加速这种合成甲基营养型大肠杆菌进入工业规模应用。今后通过优化代谢途径和改善生物反应器中的高细胞密度培养，有望实现更大规模和经济效益的生物合成工艺。”研究人员在论文中指出。
这篇论文的共同通讯作者Julia Vorholt是瑞士苏黎世联邦理工学院微生物研究所教授，她的实验室专注于微生物生态学和生物地球化学的研究，探索环境如何影响细菌生理学，重点围绕植物微生物群，在不同的层次和尺度上进行功能分析，从代谢物和蛋白质，到单个细胞，再到细菌群落等。她和团队的研究涵盖了从微生物群落结构到功能机制的多个层面，通过综合运用基因组学、代谢组学和蛋白质组学等现代生物技术手段揭示微生物与环境的相互作用以及它们在碳、氮、硫等元素循环中的关键作用等。
（来源：Nature Catalysis）
产业层面，通过微生物底盘以甲醇为底物生产高值化学品的具有广阔的市场前景和发展潜力。与传统燃料相比，可再生绿色甲醇可减少高达95%的二氧化碳排放，减少高达80%的氮氧化物排放，并完全消除了氧化硫和颗粒物的排放。据统计，现阶段商业化的可再生绿色甲醇生产工厂已经大量投产，预计到 2027 年工厂年产能将增长至800 万吨左右。
就国内而言，据悉，今年 2 月，全球首个十万吨级“绿色低碳甲醇”工厂在河南安阳正式投产，这是国内首套、全球规模最大的二氧化碳加氢制绿色低碳甲醇工厂，利用从工业尾气中捕获的二氧化碳与炉气中的副产氢气合成绿色低碳甲醇，投产后年产能可达11 万吨，直接减排二氧化碳16 万吨。
素材来源官方媒体/网络新闻
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