Adaptation of the autotrophic acetogen Sporomus ovata to methanol accelerates the conversion of CO2 to organic products
- 作者
- Pier-Luc Tremblay, Daniel Hoglund, Anna Koza, Ida Bonde, Tian Zhang
- 杂志
- Scientific Reports（2015）
- DOI
- 10.1038/srep16168
- 所属领域
- 代谢工程 / 合成生物学
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
自养产乙酸菌Sporomus ovata的自养代谢速率慢，限制了CO2向有机产物（如乙酸盐）的生物转化效率，尤其在微生物电合成（MES）等生物过程中成为瓶颈。
研究策略
采用适应性实验室进化（ALE），以有毒C1化合物甲醇作为唯一底物对S. ovata进行连续传代培养，筛选生长更快、耐受性更强的突变株；结合全基因组测序、转录组测序和生化实验解析分子机制，并在MES系统中验证其CO2还原性能。
核心内容
针对自养产乙酸菌Sporomus ovata自养代谢速率慢、制约CO₂向有机产物转化的瓶颈，该研究采用适应性实验室进化策略，以有毒C1化合物甲醇为唯一底物进行连续传代培养，筛选出生长更快、耐受性更强的突变株，并结合全基因组测序、转录组测序和生化实验解析分子机制，最终在微生物电合成系统中验证其CO₂还原性能。获得的甲醇适应菌株met-T18-2在2%甲醇上生长速率提高5倍，倍增时间由64.6小时缩短至13.0小时；在微生物电合成系统中，乙酸平均产率提高6.5倍达866.7 mM m⁻² day⁻¹，电流密度提升6.8倍，电子回收率从85.3%升至94.7%。全基因组测序发现两个独立适应体系共有33个共同突变，涉及甲醇氧化、Wood-Ljungdahl途径、能量代谢及调控网络等多个基因。结果表明，适应性实验室进化能有效优化自养微生物催化剂，同时提升自养代谢速率与溶剂耐受性，显著增强CO₂向有机产物的转化效率，在微生物电合成中具有重要应用潜力。
创新点
首次对S. ovata进行甲醇适应性进化，获得同时具有更快自养代谢和更高甲醇耐受性的菌株；揭示甲醇氧化途径和Wood-Ljungdahl途径中的关键突变与表达调控；证明ALE策略可显著提升微生物电合成效率。
研究对象（13）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Sporomus ovata DSM 2662 | 甲醇氧化途径 | mtac | Mtac（corrinoid-dependent methyltransferase） | 催化 | 催化甲醇甲基转移至四氢叶酸的第一步反应；第9次转移后发生V/A替换突变，可能优化甲醇氧化效率。 |
| Sporomus ovata DSM 2662 | Wood-Ljungdahl pathway | ackA | AckA（acetate kinase） | 催化 | 将乙酰磷酸转化为乙酸；R176Q突变使酶活性提高1.5倍。 |
| Sporomus ovata DSM 2662 | Wood-Ljungdahl pathway | acsE, acsC, acsD | AcsE/AcsC/AcsD（methyltetrahydrofolate:corrinoid/iron-sulfur protein methyltransferase and corrinoid/iron-sulfur protein subunits） | 催化 | AcsE催化甲基从四氢叶酸转移至CFeSP的钴胺素辅因子，AcsC/AcsD组成CFeSP；在适应菌中转录水平上调。 |
| Sporomus ovata DSM 2662 | 能量代谢（电子分叉） | hdrC, hdrA | HdrC/HdrA（heterodisulfide reductase） | 能量供给 | 推测参与黄素基电子分叉机制，耦合铁氧还蛋白还原与能量保存；hdrC与acsCDE同操纵子，hdrA在适应菌中上调。 |
| Sporomus ovata DSM 2662 | 氨基酸生物合成 | nif1 | Nif1（pyruvate-ferredoxin oxidoreductase, PFOR） | 催化 | 催化丙酮酸与乙酰辅酶A的可逆转化，为氨基酸合成提供前体；在适应菌中上调。 |
| Sporomus ovata DSM 2662 | 调控网络 | stc10, SOV_2c03990, whiA, SOV_2c04150 | Stc10, SOV_2c03990, WhiA, SOV_2c04150（转录因子） | 调控 | 多个转录因子编码基因发生突变，可能与转录组重编程相关。 |
| Sporomus ovata DSM 2662 | c-di-GMP信号传导 | dosC, SOV_2c05090 | DosC, SOV_2c05090（含GGDEF结构域的c-di-GMP合成酶） | 调控 | dosC的GGDEF域因1bp缺失破坏，SOV_2c05090也有SNP，可能影响c-di-GMP水平及下游调控。 |
| Sporomus ovata DSM 2662 | 脂蛋白合成/细胞壁 | lgt2 | Lgt2（prolipoprotein diacylglycerol transferase） | 区室化 | G230E突变影响脂蛋白锚定至细胞膜，可能改变细胞壁结构以增加甲醇耐受性。 |
| Sporomus ovata DSM 2662 | 脂多糖（LPS）生物合成 | rfbG, arnT | RfbG（CDP-D-glucose-4,6-dehydratase）、ArnT（lipid A modification enzyme） | 区室化 | rfbG上调参与O-抗原多糖合成，arnT下调减少lipid A修饰，导致LPS谱改变（高分子量LPS减少），与溶剂耐受相关。 |
| Sporomus ovata DSM 2662 | 维生素B12转运 | btuB | BtuB（vitamin B12 transporter） | 转运 | 适应菌中转录上调，促进外源维生素B12摄取，减少内源合成能耗。 |
| Sporomus ovata DSM 2662 | 氨基酸/渗透保护物质转运 | putP | PutP（sodium/proline symporter） | 转运 | 脯氨酸作为渗透保护剂，putP突变可能影响脯氨酸积累，增强甲醇耐受性。 |
| Sporomus ovata DSM 2662 | 丙氨酸代谢 | ald2 | Ald2（alanine dehydrogenase） | 催化 | 突变可能改变丙氨酸代谢，间接影响渗透保护或能量平衡。 |
| Sporomus ovata DSM 2662 | 甘氨酸还原 | grd2 | Grd2（glycine reductase subunit） | 催化 | 甘氨酸及其甲基衍生物作为渗透保护剂，grd2突变可能影响甘氨酸代谢。 |
关键发现
- 甲醇适应菌株（met-T18-2）在2%甲醇上生长速率提高5倍，倍增时间从64.6±19.4小时缩短至13.0±1.1小时
- 在H2-CO2条件下最大OD545从0.24±0.01提高至0.32±0.00
- 在0.5%甲醇上倍增时间为12.2±0.2小时（野生型20.9±0.5小时）
- 在MES系统中乙酸平均产率提高6.5倍，达866.7±373.5 mM m^-2 day^-1（野生型133.5±43.2 mM m^-2 day^-1），电流密度提高6.8倍（-2161.7±1071.4 vs -320.1±98.5 mA m^-2），电子回收率从85.3±8.3%提高至94.7±2.1%
- 乙酸激酶活性提高1.5倍（204.5±29.4 vs 137.5±19.3 nmol NADP+ reduced min^-1 mg protein^-1）
- 在0.5%甲醇上乙酸产率为6.1±0.4 mM day^-1（野生型2.6±0.2 mM day^-1），甲醇消耗为9.5±1.1 mM day^-1（野生型4.4±0.8 mM day^-1），碳转化效率为129±11%（野生型118±16%）
- 全基因组测序发现两个独立适应体系共有33个共同突变，其中18个发生在第4次转移前，13个在第9次转移前。
研究结论
ALE是优化自养微生物催化剂的有效策略，通过甲醇适应可获得同时具备更快自养代谢和更高溶剂耐受性的S. ovata菌株，显著提升CO2向有机产物的转化效率，尤其在微生物电合成中具有重要应用潜力。