一碳原料是储量巨大的廉价碳资源，具有良好的市场应用前景，其有效利用将有助于实现我国的“碳达峰、碳中和”战略目标。甲酸是主要的有机一碳化合物，也是重要的化工原料，来源广泛，但现有的化学转化路径较少，亟待发展生物技术来拓展甲酸利用。一些天然的甲基营养型微生物能够使用甲酸盐为唯一碳源进行生长，但存在生物量低、甲酸代谢慢等缺陷。相对而言，在传统糖基原料发酵中引入甲酸作为辅助碳源，进而实现多种原料的共利用是更为接近工业应用的一条路径。

产溶剂梭菌的丙酮-丁醇-乙醇（ABE）联产发酵是最主要的生物丁醇生产技术。其中，拜氏梭菌（Clostridium beijerinckii）是代表性的菌种之一，能够以多种糖基原料合成上述3种产物。近日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心的顾阳和姜卫红团队鉴定和分析了拜氏梭菌的甲酸代谢能力以及潜在的代谢途径，并发现了甲酸对菌株糖酵解途径的促进作用。在此基础上，通过实验室自适应进化获得了甲酸耐受和利用能力显著提高的菌株，从而实现拜氏梭菌利用甲酸盐作为辅助碳源高效合成ABE溶剂。相关成果以“Formate as a supplementary substrate facilitates sugar metabolism and solvent production by Clostridium beijerinckii NCIMB 8052”为题发表在Synthetic and Systems Biotechnology期刊上。

图1 甲酸代谢途径分析和13C同位素标记路径

随后，研究人员通过实验室适应性进化的方法持续增强甲酸对拜氏梭菌的压力，最终了获得甲酸盐耐受和消耗能力均显著提高的驯化菌株Cbei-FA01。

基于上述研究结果，研究人员系统评估了驯化菌Cbei-FA01的ABE溶剂合成能力。在同时含有葡萄糖和甲酸作为碳源的发酵条件下，Cbei-FA01可以产生23.0 g/L ABE溶剂，比相同条件下的野生型菌株提高51.7%。驯化菌的这一优势在发酵葡萄糖-木糖混合糖以及甲酸的过程中同样存在。

Formate as a supplementary substrate facilitates sugar metabolism and solvent production by Clostridium beijerinckii NCIMB 8052

Ran Zhao, Wenyue Dong, Chen Yang, Weihong Jiang, Jinzhong Tian, Yang Gu.

https://doi.org/10.1016/j.synbio.2023.01.005