近日，Chemical Engineering Journal在线发表湖北大学生命科学学院陈守文教授课题组题为“Engineering a non-oxidative glycolysis pathway in industrial Bacillus licheniformis for carbon-efficient production of acetyl-CoA derived biochemicals”的研究论文。
在生物炼制过程中，如何最大化底物利用率并减少碳排放是生物制造领域面临的核心挑战之一。传统糖酵解（EMP）途径中，葡萄糖转化为乙酰辅酶A（Acetyl-CoA）时，丙酮酸的氧化脱羧过程不可避免地会释放一分子CO2，导致33%的碳原子损失。地衣芽胞杆菌（Bacillus licheniformis）作为一种公认安全（GRAS）的工业底盘，具有遗传操作简单、生产周期短、鲁棒性高等优势，但在有氧发酵中丙酮酸溢流代谢产生大量乙酸、乙偶姻、2,3-丁二醇等副产物，限制了目标产物的得率。
针对上述问题，陈守文团队首先在地衣芽胞杆菌中搭建并优化了异源的非氧化糖酵解（NOG）途径。该途径的核心在于磷酸转酮酶（PKT）可将6-磷酸果糖（F6P）或5-磷酸木糖（X5P）直接转化为乙酰磷酸（AcP），随后进一步经过磷酸转乙酰酶（Pta）催化得到乙酰辅酶A，从而绕过了传统糖酵解途径的丙酮酸氧化脱羧过程，实现了1分子葡萄糖完全转化生成3分子乙酰辅酶A。随后，为了提高NOG途径的宿主适配性，采用经典代谢工程策略“Push-Pull-Drive”，从前体供应强化、磷酸转酮酶理性设计、NOG途径限速酶强化、副产物乙酸积累等模块入手，对杂合中心碳代谢途径进行系统重编程，使胞内乙酰辅酶A池扩大了6.57倍。接下来，研究团队通过呼吸链优化以及TCA循环强化，使ATP水平提升了76%，有效解决了NOG途径在转化过程中不产生ATP，导致细胞面临能量赤字的难题。最后，将开发的高效供应乙酰辅酶A底盘进行多产物合成验证与碳排放评估，发现该底盘的γ-氨基丁酸和四氢嘧啶的产率分别提高了94.6%和62.3%，并且其在生物反应器中的杆菌肽产量达到1278.5 U/mL，为目前报道的最高水平。更令人惊喜的是，工程菌株在发酵过程中的CO2排放量降低了21.6%，显著提高了生物炼制过程中的碳原子经济性。综上，该工作不仅为乙酰辅酶A衍生产品的碳高效生产提供了创新的工程范式，也为工业微生物细胞工厂的碳中和制造奠定了坚实基础。
博士后朱江为该论文第一作者，陈守文教授、蔡冬波副教授、王世依博士后为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、武汉市自然科学基金特区计划项目以及湖北省战略科技人才培育专项的资助。
（审稿：黄裕钊 终审：覃红英）
