在全球減碳趨勢下，如何用非糧原料生產(chǎn)化學(xué)品成為生物制造的核心挑戰(zhàn)。在此背景下，乙酸鹽成為一種頗具吸引力的替代微生物碳源，與傳統(tǒng)碳原料相比，乙酸鹽可以通過生物和化學(xué)方法以較低的成本生產(chǎn)出有效量。

近日，來自麻省理工學(xué)院（MIT）、清華大學(xué)等高校的團(tuán)隊合作，通過分步代謝工程，開發(fā)了以乙酸鹽作為唯一碳源生產(chǎn) 2,3-丁二醇和乙偶姻（統(tǒng)稱為二醇）的大腸桿菌菌株。相關(guān)研究以題為“Metabolic Engineering of E. coli for Enhanced Di-ols Production from Acetate”發(fā)表在 ACS Synthetic Biology。

2,3-丁二醇（2,3-BDO）具有廣泛的應(yīng)用范圍，包括直接用于制造個人護(hù)理產(chǎn)品、食品添加劑和調(diào)味劑、防凍劑、植物生長促進(jìn)劑、并通過進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為 1,3-丁二烯和甲基乙基酮 (MEK) 等增值產(chǎn)品進(jìn)行間接利用；乙偶姻因其黃油般的味道而被廣泛用作合成各種化學(xué)品、化妝品化合物和藥物的原料，并被用作食品工業(yè)的調(diào)味劑。傳統(tǒng)生產(chǎn)中，這兩種化合物依賴糧食基糖類發(fā)酵，而這項研究首次實現(xiàn)以乙酸鹽為唯一碳源的生物合成，為綠色制造開辟新路徑。

乙偶姻和 2,3-BDO 的生物合成路線高度交織，乙偶姻是 2,3-BDO 的直接前體。事實上，它們都是由丙酮酸通過幾個步驟形成的。2,3-BDO 也可以可逆地轉(zhuǎn)化為乙偶姻，從而再生 NADH 以保持恒定的氧化還原狀態(tài)。由于乙偶姻和 2,3-BDO 的生物生產(chǎn)依賴于最終導(dǎo)致二醇形成的常見酶促反應(yīng)，因此 2,3-BDO 和乙偶姻被稱為二醇。

要實現(xiàn)乙酸到二醇的轉(zhuǎn)化，團(tuán)隊對比了兩種常用宿主：E. coli W 和 E. coli BL21。這兩種菌株都對乙酸具有高度耐受性。乙酰輔酶 A 合成酶和乙醛酸旁路在 E. coli BL21 中的活性更高；另一方面，E. coli W 是迄今為止報道的唯一一個從乙酸鹽生產(chǎn) 2,3-BDO 和乙偶姻的嘗試中選出的宿主菌株。

接下來，團(tuán)隊從陰溝腸桿菌中“借來”三個關(guān)鍵基因——budB（乙酰乳酸合成酶）、budA（乙酰乳酸脫羧酶）、budC（2,3-BDO 脫氫酶），在大腸桿菌中構(gòu)建了合成路徑。并分別對低拷貝數(shù)質(zhì)粒和高拷貝數(shù)質(zhì)粒以及兩種不同的基因順序進(jìn)行了比較評估。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，以上因素影響并不是很顯著，構(gòu)建的四株菌株均能從葡萄糖生產(chǎn) 2,3-BDO 和乙偶姻。

在添加了 5 g/L 乙酸鈉的化學(xué)成分明確的培養(yǎng)基中，對這四株菌株的二醇產(chǎn)量進(jìn)行了測試。通過分析二醇的滴度、產(chǎn)量和碳平衡，一致表明 E. coli W_pET_budBAC 是進(jìn)一步菌株工程開發(fā)的基準(zhǔn)菌株。

圖 | 大腸桿菌中乙酸代謝的示意圖

大腸桿菌吸收乙酸有兩條路徑：高親和力的 Acs，需消耗 2 分子 ATP；低能耗的 AckA-Pta，僅需 1 分子 ATP。團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，過表達(dá) AckA-Pta 路徑的菌株（W-BDO-AC2）比過表達(dá) Acs 的菌株（W-BDO-AC1）乙酸消耗速率快 38%，二醇產(chǎn)量高出 69%。這是因為 AckA-Pta 在能量利用上更具優(yōu)勢，且其副產(chǎn)物乙酰磷酸能激活下游代謝。

另一個關(guān)鍵突破在于蘋果酸到丙酮酸的轉(zhuǎn)化。蘋果酸脫氫酶有兩種同工酶：MaeA 和 MaeB。實驗表明，MaeA 在乙酸體系中更高效，因其不受乙酰輔酶 A 抑制，且直接支持丙酮酸生成（二醇合成前體）。過表達(dá) MaeA 的菌株（W-BDO-AC4）最終將二醇產(chǎn)量推至 1.05 g/L，較基礎(chǔ)菌株提升近 70%，創(chuàng)下現(xiàn)今報道最高紀(jì)錄。

在搖瓶實驗中，團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)補(bǔ)料策略顯著影響結(jié)果。一次性添加高濃度乙酸會抑制生長，而分四次補(bǔ)料的“細(xì)水長流”模式讓 W-BDO-AC 菌株的乙酸消耗速率穩(wěn)定在 0.78 g/h，二醇產(chǎn)量達(dá) 1.16 g/L。

為了驗證工業(yè)可行性，團(tuán)隊在 250 mL 生物反應(yīng)器中開展放大實驗。通過精準(zhǔn)控制 pH 值和溶氧，W-BDO-AC 的產(chǎn)量進(jìn)一步提升至 1.56 g/L，較此前文獻(xiàn)報道的 1.2 g/L 高出 30%。碳平衡分析顯示，12.5% 的乙酸碳源轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物，其余主要用于菌體生長，未來可通過阻斷旁路代謝進(jìn)一步提高效率。

這項研究不僅首次實現(xiàn)了乙酸到二醇的高效轉(zhuǎn)化，更揭示了代謝工程的系統(tǒng)性設(shè)計邏輯：從宿主選擇、路徑優(yōu)化到工藝放大環(huán)環(huán)相扣。乙酸是連接一碳?xì)怏w（如 CO?、合成氣）與高值化學(xué)品的橋梁，這項技術(shù)有望與氣體發(fā)酵耦合，打造真正的‘負(fù)碳生產(chǎn)線’。未來，研究將聚焦兩大方向：一是減少代謝中的碳損失，例如引入 CO? 循環(huán)模塊；二是利用動態(tài)調(diào)控解決產(chǎn)物選擇性難題。隨著合成生物學(xué)工具的進(jìn)步，乙酸驅(qū)動的“細(xì)胞工廠”或?qū)⒊蔀樯镏圃斓男聵?biāo)桿。

1.Ricci L, Cen X, Zu Y, et al. Metabolic Engineering of E. coli for Enhanced Diols Production from Acetate[J]. ACS Synthetic Biology, 2025, 14(4): 1204-1219.

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