近日，湖北大学生命科学学院、省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室陈守文教授团队最新研究成果“Metabolic engineering of Bacillus licheniformis for sustainable production of isobutanol（《代谢工程改造地衣芽胞杆菌可持续合成异丁醇》）”，发表于化学顶级期刊ACS Sustainable Chemistry & Engineering。占杨杨博士后和硕士研究生许勇为该论文共同第一作者，陈守文教授为通讯作者，湖北大学为第一单位。

2015年巴黎气候大会通过《巴黎协定》制定全球平均气温升幅长期目标，“碳达峰、碳中和”已成为当前与未来国际绿色低碳发展工作的核心内容，发展清洁、可再生能源已成为全球经济和社会发展共同关注的目标。生物燃料（乙醇、丁醇和异丁醇等）是一类具有巨大潜力的可再生能源，其中，异丁醇和乙醇相比具有热量密度高、燃烧值高、挥发性小和吸湿性低等优点，被视为可取代乙醇的更高性能生物燃料。异丁醇还可以用于航空燃料，助力航空航天发展。目前化学合成法生产异丁醇工艺繁琐，原料不可再生，易对环境造成破坏。微生物合成异丁醇具有反应条件温和、原料可再生等优势。因此，实现微生物发酵生产异丁醇将有助于异丁醇生物燃料产业的发展，减少碳排放，进而助力“碳达峰、碳中和”。

陈守文教授团队利用溶剂耐受菌株地衣芽胞杆菌作为研究对象，采用合成生物学、代谢工程和代谢组学等手段改造地衣芽胞杆菌，实现其高效合成异丁醇。该研究团队通过筛选、鉴定了高效率的醇脱氢酶，并建立了杂合型艾利希途径，实现了异丁醇的从头合成。随后通过叠加敲除异丁醇合成途径的四条竞争途径，显著提高了异丁醇的积累。该团队发现强化表达亮氨酸脱氢酶能够显著提高异丁醇的产量，并探明了其机制：亮氨酸脱氢酶通过降解缬氨酸，降低胞内缬氨酸积累，解除缬氨酸对酶乙酰乳酸合成酶的反馈抑制，提高异丁醇合成前体α-酮异戊酸的积累。随后又通过染色体工程强化表达α-酮异戊酸合成的三个关键酶，异源引入NADP+依赖的甘油醛-3-磷酸脱氢酶来提高胞内α-酮异戊酸和NADPH的供给（图1）。最后，通过发酵工艺优化使得最佳菌株IB13异丁醇产量最高达到10.8g/L（目前芽胞杆菌中报道的最高产量）。该研究为利用地衣芽胞杆菌工业化生产异丁醇和发展生物燃料异丁醇产业奠定基础，也为其他相关化学品的发酵生产提供了思路。

图1 代谢工程改造地衣芽胞杆菌合成异丁醇的策略

据悉，陈守文教授团队长期从事芽胞杆菌生物技术科研和产业化开发，获得科技部重点研发计划、国家自然科学基金、湖北省科技攻关等多项国家和省部级课题支持。在地衣芽胞杆菌的生物学、代谢组学、代谢工程、酶工程、发酵工程等领域取得了系列研究成果，在ISME J、ACS Sustain Chem Eng、Bioresour Technol、Biotechnol Biofuels、ACS Syn Biol、Biotechnol Bioeng、Appl Environ Microb和J Agri Food Chem等国际知名专业期刊发表高水平论文70余篇，获中国和美国授权发明专利50余项，聚γ-谷氨酸、杆菌肽、酶制剂、芳香醇糖苷以及农用微生物菌剂等产品技术在我国多家企业推广应用。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.1c05511

（审稿：谢玉平）