《Current Opinion in Biotechnology》：Metabolic engineering of microorganisms for the production of fatty acid-derived biofuels
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微藻代谢工程策略优化脂肪酸基生物燃料生产，探讨碳流调控、路径重构及辅因子平衡等关键技术，分析当前高能耗、低产率及产物转化瓶颈，提出合成生物学与系统生物学融合的创新方向。
Jina Park|Yeonghwan Yun|Sang Yup Lee
代谢与生物分子工程国家研究实验室，化学与生物分子工程系（BK21四项计划），生物世纪研究所，韩国科学技术院（KAIST），大田市儒城区大鹤路291号，34141
日益严重的气候危机要求全球从化石燃料转向可再生能源。为了满足这一需求，代谢工程已成为开发能够高效生产燃料和燃料前体的微生物“细胞工厂”的关键策略。在生物燃料平台中，基于脂肪酸的燃料尤其具有前景，其能量密度可与石油基燃料相媲美。系统代谢工程的最新进展，包括代谢途径优化、辅因子平衡和动态调控，显著提高了微生物生产关键燃料和中间体（如烷烃和脂肪酸酯）的效率。在这篇综述中，我们讨论了用于微生物生产代表性脂肪酸基燃料的代谢工程策略的最新进展，重点介绍了当前的技术挑战和未来发展方向。
引言
由于持续依赖化石燃料，气候危机已成为最严重的全球性挑战之一。能源和运输部门的温室气体排放是主要原因，其中航空和航运行业对高能量密度燃料的需求尤为突出，这使得它们严重依赖化石燃料[1]。因此，迫切需要开发环保且可持续的可再生能源生产途径，尤其是生物燃料。早期的努力已经证明了通过甘蔗或玉米淀粉制备生物乙醇，以及通过植物油酯交换反应生产生物柴油的可行性[2]。然而，这些第一代生物燃料引发了关于食品安全、过度占用土地和可扩展性有限的担忧。随后采用微藻和其他非食品资源的策略缓解了部分问题，但仍面临规模扩大和成本效益方面的挑战[3]。此外，现代燃料对性能的严格要求（包括高能量密度、化学稳定性和与现有基础设施的兼容性）进一步限制了生物燃料的广泛应用。
为了克服这些限制，由微生物生产的基于脂肪酸的生物燃料成为了一个有前景的下一代平台[4]。基于脂肪酸的生物燃料具有多种优势，尤其是其高能量密度和与现有基础设施的兼容性[5]。通过重新设计微生物代谢通量，显著提高了生产效率，实现了环境可持续的生产过程。游离脂肪酸（FFAs）作为多功能前体，可以通过催化转化为多种生物燃料，其链长和饱和度水平可以精细调节燃料的挥发性、氧化稳定性等特性。最近的代谢工程策略集中在重新设计脂肪酸代谢网络以优化前体合成，并调整脂肪酸组成以满足特定燃料需求[6]。
这篇综述总结了用于生产基于脂肪酸的生物燃料及其前体的代谢工程策略的最新进展，以及后续转化途径，包括生物衍生中间体的化学转化和完全生物体内的酶促转化。通过典型案例研究，展示了现有代谢工程和生物转化平台的潜力与局限性。最后，提出了指导未来研究的方向，以实现可扩展、经济可行且可持续的微生物生物燃料生产。
部分摘录
脂肪酸生产的代谢工程
脂肪酸在细胞中自然合成，是膜生物发生的重要组成部分，也是碳和能量储存的关键分子。因此，代谢工程的努力主要集中在通过将碳通量重新导向脂肪酸生物合成来增加脂肪酸的产量（图1）[7•]。通过过表达相关基因和阻断竞争途径来重新调整脂肪酸代谢通量是一种广泛使用的策略，以增强FFA的生产[8]。
结论与未来展望
对化石燃料的持续依赖以及由此引发的气候危机凸显了向可持续和碳中性能源转型的迫切需求。通过代谢工程开发的微生物“细胞工厂”为生产具有更好环境性能的下一代生物燃料提供了有力平台。合成生物学和系统级工程的最新进展增强了菌株的稳健性，并实现了对脂肪酸的更精确控制
CRediT作者贡献声明
Jina Park：概念构思、初稿撰写、审阅与编辑。Yeonghwan Yun：概念构思、初稿撰写、审阅与编辑。Sang Yup Lee：概念构思、监督、审阅与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了韩国国家研究基金会（NRF）的支持，该基金会资助了下一代生物精炼厂项目中的微生物细胞工厂平台技术开发（2022M3J5A1056117）、引领生物制造产业的先进合成生物学源技术开发项目（RS-2024-00399424），以及合成生物学人才培养项目（RS-2025-25409512），该项目得到了韩国科学与信息通信部的支持。
