“如果地球是一家企業，二氧化碳就是它的開支，而碳固定就是它的收入。” 眼下，這筆“碳賬”嚴重虧空。每年人類排放的二氧化碳遠超自然界的固定能力，全球變暖、能源危機迫在眉睫。

甲酸、二氧化碳等 C1 化合物因其可再生、低成本的特點，被視為未來生物制造的關鍵碳源。但要讓微生物高效利用它們，傳統天然碳固定途徑卻成為瓶頸。卡爾文循環是生物界最常見的固碳途徑，但效率受限。

此前，馬克斯普朗克陸地微生物研究所Tobias Erb及其同事開發了人工固碳途徑，例如 CETCH 和 THETA 循環，其效率優于天然卡爾文循環。這些途徑已經在體外取得成功，但僅部分整合到生物體中。

他們研究的另一種固碳方法涉及物理化學方法，例如使用可再生能源將 CO? 電化學還原為甲酸，然后再用微生物將其轉化為各種產品。因此，研究人員目前正在開發混合技術，首先將 CO? 物理化學固定為甲酸，然后進一步通過微生物加工。

許多細菌都通過卡爾文循環自然轉化甲酸，該團隊近日測試了比卡爾文循環更節能的還原性甘氨酸途徑（rGlyP），后者是處理甲酸最有效的合成代謝途徑。

研究發現，整合了 rGlyP 途徑的工程菌株的生物量產量比野生型高 17%，產量高于使用卡爾文循環的任何天然形態營養菌。這表明合成代謝具有實現可持續生物基生產的潛力。這一研究成果以“One-carbon fixation via the synthetic reductive glycine pathway exceeds yield of the Calvin cycle”為題發表在 Nature Microbiology。

在這項研究中，團隊選用了 Cupriavidus necator 菌株，這種細菌自然地使用卡爾文循環來代謝甲酸。早在 2020 年，該團隊的一位合作者、來自瓦赫寧根大學的 Nico Claassens 已經成功地將還原性甘氨酸途徑引入 Cupriavidus necator。但由此產生的生長率和生物量產量低于未改造的細菌。

圖 | 還原甘氨酸途徑與卡爾文循環比較

在這項新研究中，研究人員將完整的還原性甘氨酸途徑（rGlyP）整合到細菌基因組中，并系統性優化其效率。該途徑包含三個關鍵模塊：C1 模塊通過甲酸-四氫葉酸連接酶（FtfL）激活甲酸，再經亞甲基四氫葉酸環化酶（FchA）和脫氫酶（MtdA）生成亞甲基四氫葉酸；C2 模塊利用甘氨酸裂解系統（GCS）逆向結合 CO? 生成甘氨酸，繞過高能耗的卡爾文循環；C3 模塊則通過絲氨酸羥甲基轉移酶（GlyA）和脫氨酶（SdaA）將甘氨酸轉化為丙酮酸——這一系列反應最終生成丙酮酸，為細胞生長提供核心碳骨架。

研究團隊選擇工業常用菌株 Cupriavidus necator H16（天然依賴卡爾文循環）作為底盤，并通過基因敲除技術去除其聚羥基丁酸合成基因（ΔphaC1），獲得代謝背景清晰的工程菌株 H16 ΔphaC1。隨后，他們將 rGlyP 的 C1 和 C3 模塊從原始質粒系統中分離，分步整合至細菌基因組：首先利用 Tn5 轉座子技術將 C1 模塊隨機插入基因組，通過多輪甲酸培養基傳代篩選出生長最快的菌株；在此基礎上，再次使用相同策略整合 C3 模塊，最終獲得完全基因組整合的菌株 CRG6。

為減少代謝分流，團隊進一步敲除甘氨酸氧化酶基因（ΔdadA6），迫使碳流集中于 rGlyP。蛋白質組學分析表明，基因組整合使 rGlyP 相關蛋白表達量降低 13%，釋放的細胞資源被重新分配至核糖體合成等生長必需功能。經過優化的 CRG6 菌株在甲酸培養基中的生物量產率達到 4.52 g CDW/mol，較野生型提升 17%，且碳損失減少至 11%，展現出顯著的代謝效率優勢。

本研究通過合成代謝途徑的理性設計與基因組整合，首次在工業微生物中實現了對天然碳固定系統的全面超越。其核心價值不僅體現在 17% 的甲酸利用效率提升，更在于構建了可擴展的“碳-能耦合”范式——利用電化學還原 CO? 生成的甲酸，經 rGlyP 驅動的高效同化，可閉環生產生物塑料（如 PHB）、微生物蛋白及 C4-C6 液態燃料，減少對石油基原料的依賴。這一技術框架展現出顯著的跨界潛力。

學界評價此研究為“合成生物學里程碑”（Sarwar & Lee, 2025），其意義在于證明人工代謝網絡可突破自然進化約束，而未來研究需聚焦“將理論優勢轉化為工業競爭力”——正如評述所言：“讓細菌工廠不僅更‘聰明’，還要更‘勤奮’。”

1.Dronsella, B., Orsi, E., Schulz-Mirbach, H. et al. One-carbon fixation via the synthetic reductive glycine pathway exceeds yield of the Calvin cycle. Nat Microbiol (2025).

2.Sarwar, A., Lee, E.Y. Surpassing natural limits in one-carbon assimilation. Nat Microbiol (2025).

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