工业废气中含有大量一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO₂）。将这些碳一气体高效转化为乙醇、乙酸等化学品，是实现减碳、资源循环利用和绿色生物制造的重要路径。乙醇梭菌（Clostridium autoethanogenum）能够通过伍德 - 永达尔途径（Wood–Ljungdahl）途径利用CO和CO₂进行自养生长和合成气发酵，是极具工业应用前景的底盘微生物之一。然而，该途径的能量收益较低，细胞内ATP供给不足、氧化还原平衡受限等问题，制约了菌体生长和目标产物合成，成为进一步提升合成气发酵效率的关键瓶颈。

近日，中国科学院天津工业生物技术研究所李德茂研究员团队联合哈尔滨工业大学陈国福教授团队，构建了一种由牛血清白蛋白稳定金纳米颗粒与乙醇梭菌组成的耦合体系，并据此建立“外源能量输入—内源响应解析—代谢工程重编程”的研究框架。该工作为优化乙醇梭菌能量代谢、构建高效合成气发酵细胞工厂提供了新思路。

研究人员制备了具有良好分散性和光响应特性的牛血清白蛋白稳定金纳米颗粒。该材料在光照下可产生稳定光电流，并可通过非特异性吸附附着于乙醇梭菌细胞表面，形成纳米材料—微生物杂合体系。实验表明，在光照条件下，该体系能够显著提高乙醇梭菌胞内ATP水平，并调节NAD⁺/NADH和NADP⁺/NADPH等氧化还原辅因子比例。其中，胞内ATP水平较对照组提高约2.3倍，细胞生长和乙醇产量均得到增强，表明金纳米颗粒介导的外源能量输入能够改善细胞能量状态和氧化还原稳态。

在此基础上，团队进一步利用转录组学系统解析耦合体系光照条件下的内源代谢变化。结果发现，乙醇梭菌中与能量保存、电子传递和氧化还原调控相关的多个功能模块显著上调，包括Rnf复合体、F_oF₁-ATP合酶、氢化酶系统、甲酸脱氢酶及丙酮酸磷酸二激酶等。研究人员还筛选获得了两个能够促进菌体生长或乙醇合成的转录调控因子，为后续理性代谢工程改造提供了关键靶点。

基于上述发现，研究团队提出并实施了“推-拉-阻”三维代谢调控策略：通过强化Rnf复合体提升细胞能量守恒能力；通过基因组整合稳定表达丙酮酸磷酸二激酶及关键转录因子，增强碳流和能量流向产物合成方向的牵引；通过敲除乳酸和2,3-丁二醇等副产物途径，减少碳源和还原力向竞争支路分流。最终，团队构建得到工程菌株CAB181。在合成气摇瓶发酵条件下，CAB181的乙醇和乙酸产量分别较野生型提高46.5%和35.1%，酸醇总产量提高34.2%。进一步的转录组和蛋白组联合分析表明，该工程菌株在碳固定、中心碳代谢、氧化还原循环、电子传递及产物合成等多个层面发生了协同重编程。研究结果说明，CAB181高效合成乙醇和乙酸并非源于单一基因或单一路径的改变，而是碳流重分配、还原力再平衡和能量守恒增强共同作用的结果。

该研究将纳米材料介导的外源能量供给与合成生物学驱动的内源代谢工程相结合，建立了从能量扰动发现关键功能元件、再将其转化为可遗传编码工程策略的闭环研究模式。该模式不仅有望提升乙醇梭菌等产乙酸菌的合成气转化效率，也可为其他受能量限制的微生物细胞工厂设计提供参考。

这项工作得到了国家重点研发计划和京津冀自然科学基金基础研究合作专项的资助，相关成果已经发表在Trends in Biotechnology上，并申请专利1项。中国科学院天津工业生物技术研究所与哈尔滨工业大学联合培养博士生翟艺达为论文第一作者，陈国福教授和李德茂研究员为共同通讯作者。

论文链接

光驱动杂合体系调控自产乙醇梭菌能量代谢与工程细胞改造策略