《Nature Communications》：Biological valorization of methane and nitrogen gas-derived ammonia via methanotrophic bacteria for gut-beneficial nutrients
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甲烷氧化过程中伴生氨毒性显著抑制细胞生长，是生物合成的瓶颈。研究者通过整合转录组分析，开发了针对甲基营养菌Methylotuvimicrobium sanxanigenens的理性代谢工程策略与优化发酵工艺，有效增强了氨的利用。改造菌株能高效共利用甲烷与氨合成细胞蛋白，其产率提升18倍。所得甲基营养细胞蛋白具有理想的氨基酸谱与生物活性营养物。口服该蛋白可显著缓解雄性小鼠结肠炎症状，其机制包括减轻炎症、修复肠屏障、维持肠道菌群稳态并促进有益代谢物排泄。本研究为分散式CH4与空气的本地生物增值转化为功能性饲料添加剂提供了一种有前景的生物技术途径，有助于推动负碳的气体价值化路径及畜牧业的绿色转型。
在应对气候变化和寻求可持续发展的全球背景下，如何有效利用温室气体甲烷（CH4）并将其转化为高附加值产品，已成为生物制造领域的前沿课题。甲烷是一种强效温室气体，但其本身也是丰富的碳一资源。与此同时，畜牧业的发展长期面临抗生素过度使用、饲料蛋白来源紧张及动物肠道健康管理等挑战。利用甲烷氧化细菌（Methanotrophic bacteria）将甲烷转化为单细胞蛋白，即甲基营养细胞蛋白（MCP），被视为一条极具潜力的“气体变食物”的负碳技术路径。然而，这条路径并非坦途。为了实现资源的更高效整合，研究者们尝试将另一种丰富的气体资源——空气中的氮气（N2）所衍生的氨也纳入转化体系。但一个棘手的科学难题横亘在前：在甲烷氧化细菌代谢氨的过程中，会产生一种名为羟胺（NH2OH）的毒性中间体，它会严重抑制细菌自身的生长，从而极大阻碍了将甲烷和氨高效、协同转化为有价值产品的生物制造效率。那么，能否通过巧妙的生物学设计，解除这种“自我毒害”的枷锁，实现甲烷与氨的高效共利用，并最终生产出不仅富含蛋白质，更具备特殊健康益处的功能性产品呢？这项发表于《Nature Communications》的研究，为我们提供了一份精彩的答卷。
为了破解氨毒性抑制的难题，并实现甲烷与氨的高效生物转化，研究人员综合运用了多种关键技术。他们首先以甲基营养细菌Methylotuvimicrobium sanxanigenens为研究对象，通过转录组学（Transcriptomics）分析，深入解析了细菌在氨胁迫下的基因表达响应网络，从而锁定了关键靶点。基于此，他们实施了理性的代谢工程策略，对目标基因进行了改造。随后，为了最大化改造菌株的生产能力，他们开发并优化了补料分批发酵工艺。在获得目标产物——甲基营养细胞蛋白后，研究进入了动物功效评价阶段。他们构建了雄性小鼠的结肠炎模型，通过口服给予MCP，系统评估了其对结肠炎症状、肠道屏障功能、肠道炎症水平以及肠道菌群结构及其代谢产物的影响，从而全面阐释了MCP的肠道健康益处。
强化氨同化途径提升甲烷与氨的共利用效率
通过转录组分析，研究人员发现羟胺的积累是氨抑制生长的关键。因此，他们理性设计了代谢工程策略，在M. sanxanigenens中过表达了羟胺还原酶，以加速毒性中间体羟胺的解毒与转化。这一改造显著增强了工程菌株对氨的耐受性和同化能力。结合优化的补料分批发酵工艺，改造菌株实现了甲烷与氨的高效协同利用，用于细胞蛋白的合成，其生产率相比对照提升了18倍。这证明，通过靶向代谢工程解除代谢瓶颈，可以极大推动气体底物向生物质的转化效率。
甲基营养细胞蛋白具备优越的营养与生物活性成分
对由此生产的甲基营养细胞蛋白进行成分分析发现，它不仅呈现出理想的人体必需氨基酸组成模式，表明其作为蛋白质来源的高质量；还含有多种生物活性营养物，包括多糖和肽类。这些活性成分的存在，提示MCP可能不仅仅是一种营养蛋白，更可能具有调节生理功能的潜力，为其后续的肠道健康应用研究提供了物质基础。
口服甲基营养细胞蛋白显著改善实验性结肠炎
在雄性小鼠的化学诱导结肠炎模型中，口服这种营养型MCP展现出了显著的治疗效果。它能够有效减轻疾病的临床活动指数，缓解结肠缩短，并降低组织病理学损伤评分。在机制层面，MCP处理显著减弱了结肠组织中的炎症进展，表现为促炎细胞因子水平的下降。同时，它还有助于恢复因结肠炎而受损的肠道屏障完整性，促进紧密连接蛋白的表达。这些结果直接证明了MCP在体内具有抗炎和修复肠黏膜的作用。
MCP维持肠道菌群稳态并促进有益代谢物排泄
研究进一步深入到了微生态层面。通过16S rRNA基因测序分析肠道菌群，发现MCP处理能够帮助维持结肠炎小鼠的肠道微生物群稳态，防止菌群失调的发生。尤为重要的是，非靶向代谢组学分析揭示，MCP促进了肠道中有益代谢物的排泄，例如短链脂肪酸等。这些有益代谢物有助于营造一个健康的肠道微环境，从而实现对肠道的保护作用。这表明MCP的益处部分是通过调节宿主-微生物互作来实现的。
本研究成功开发了一种整合代谢工程与发酵工艺的生物制造策略，在甲基营养细菌Methylotuvimicrobium sanxanigenens中实现了甲烷与氨的高效协同生物转化，将有毒的氨转化为资源，使细胞蛋白生产率大幅提升。所生产的甲基营养细胞蛋白不仅营养全面，更富含生物活性物质。动物实验证实，口服该蛋白可通过多途径缓解结肠炎：包括直接抗炎、修复肠道物理屏障，以及间接调节肠道菌群稳态、增加有益代谢产物，从而全方位保护肠道微环境。这项工作的重要意义在于，它首次将甲烷氧化细菌的工程化应用，从单纯的蛋白质生产，拓展到了功能性饲料添加剂和肠道健康产品的开发领域。该技术为分散式的甲烷（如沼气）和空气（氮气来源）的本地化、绿色生物增值提供了一条创新途径。它不仅推进了“负碳排放”的气体资源高值化技术发展，也为畜牧业减少抗生素和疫苗依赖、实现绿色转型提供了具有潜力的解决方案，连接了气体生物制造与动物健康养殖两大重要领域。
