综述：微生物的代谢工程用于C2原料的增值利用

《Current Opinion in Biotechnology》：Metabolic engineering of microorganisms for the valorization of C 2 feedstocks

C?生物制造通过代谢工程与合成生物学优化实现高价值化学品生产，重点整合反向β-氧化、aldol缩合及TPP依赖通路，结合电化学与AI辅助设计提升碳流效率。

　　

杨明浩|李燕|谭天伟|吕永勤

中国北京化工大学有机-无机复合材料国家重点实验室，北京 100029

本综述总结了微生物代谢工程领域的最新进展，这些进展旨在将二氧化碳（C₂）原料转化为高价值化学品和材料。首先，我们讨论了天然和工程化的C₂吸收途径，包括逆β-氧化、基于醛醇缩合的碳链延长以及依赖硫胺素焦磷酸（TPP）的代谢模块，重点介绍了大肠杆菌（Escherichia coli）、假单胞菌属（Pseudomonas spp.）和光合宿主中的代表性菌株设计。接着，我们探讨了将产乙酸菌或产气微生物与C₂吸收菌株耦合的C₁-至C₂平台策略。最后，我们概述了快速发展的非天然和计算设计的代谢途径工具箱，这些途径能够在最小化碳损失的情况下重新分配碳流。特别强调了合成生物学、酶工程、基因组规模代谢模型以及人工智能驱动的设计在构建下一代、电气化和数字化引导的C₂生物精炼厂中的作用。这些进展使得基于C₂的生物制造成为低碳化学品生产的关键支柱。

引言

向可持续、低碳经济的转型需要摆脱对化石资源的依赖。利用可再生C₂原料（主要是乙醇、乙酸和乙二醇（EG））的微生物生物制造已成为一种有前景的策略1, 2, 3, 4, 5。这些原料可以从二氧化碳（CO₂）、合成气或解聚塑料中获得，作为将碳捕获与生物转化联系起来的模块化中间体，从而实现碳中性或碳负值的产业链3, 4, 5, 6•, 7, 8（图1）。

C₂原料通过乙酰辅酶A（acetyl-CoA）直接进入中心代谢过程，具有较高的碳原子效率，有助于生产有机酸、氨基酸、聚酯和其他化学品4, 6•, 7。然而，它们也面临一些挑战，如能量含量低、链延长所需的热力学条件不利、氧化还原平衡失调、毒性以及关键中间体的竞争，这些问题都限制了产率和生产效率9•, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17。

代谢工程、合成生物学和系统级建模的最新进展，结合基因组规模模型、组学指导的设计以及人工智能辅助的途径发现，提高了碳流优化、辅因子平衡和细胞稳健性12, 18, 19•, 20•, 21, 22, 23, 24。除了天然代谢途径外，非天然的C₂固定和链延长循环还实现了全新的途径设计。本综述整合了C₂吸收、链延长以及多阶段的C₁-至C₂过程，结合了计算建模、人工智能辅助的途径设计和电生物混合系统的最新进展，展示了这些策略如何日益用于加速和合理化可持续的C₂生物制造。

基于C₂的细胞工厂设计原则

乙酸、乙醇及相关中间体等C₂原料为微生物代谢提供了多种入口点，但高效的价值转化需要合理的“以C₂为中心”的设计策略。

以乙酰辅酶A为中心的C₂转化途径

逆β-氧化为C₂转化提供了一个统一的框架，直接体现了上述的乙酰辅酶A经济性和碳流分配原则。通过将乙酰辅酶A视为一个模块化的两碳构建块，这种策略能够精确控制生物质形成与产物合成之间的碳分配，同时在迭代链延长过程中最小化碳损失。通常，C₂原料（如乙酸和乙醇）首先被转化为乙酰辅酶A

结论

乙酸、乙醇及相关小分子等C₂原料正在重塑绿色生物制造领域。通过整合天然代谢途径、逆β-氧化、醛醇缩合和TPP依赖的C₂转移机制，结合工程化的微生物群落和多阶段的C₁-C₂耦合，多种宿主可以高效生产氨基酸、有机酸、聚酯、脂质和类胡萝卜素。人工智能辅助的非天然循环和数字孪生框架进一步拓展了设计的可能性。主要挑战包括

CRediT作者贡献声明

杨明浩：概念构思、形式分析、实验研究、数据可视化、初稿撰写。李燕：概念构思、形式分析、实验研究、数据可视化、审稿与编辑。吕永勤：概念构思、资金获取、项目管理、资源协调、监督工作、审稿与编辑。

写作过程中生成式人工智能和人工智能辅助技术的声明

在准备本手稿的过程中，作者使用了Deepseek来帮助组织和管理参考文献内容。Deepseek生成的所有内容都经过了作者的仔细审查和编辑，作者对最终发表文章的准确性、完整性和原创性负全责。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（2024YFB4206300）、国家自然科学基金（U22A20426, 22122801, 22408017）以及京津冀自然科学基金合作项目（25JJJJC0046）的支持。