工程化高能效酿酒酵母用于甲醇与CO2同化

把废气变成有用的产物

甲醇和二氧化碳常被视为废弃物或加剧气候变暖的污染物，但它们也是富含碳和能量的资源。本文展示了科学家如何改造普通的面包酵母，使其能够以甲醇为生，甚至同时吸收CO₂。这类“吃气”的微生物将来可能有助于在减少温室气体排放的同时生产燃料、化学品和材料。

为何甲醇对应对变暖行星至关重要

要减缓气候变化，我们需要不与粮食作物竞争的化石燃料替代品。由可再生来源制得的甲醇——例如捕获的CO₂、植物废料和绿色氢气——具有显著优势，因为它易于运输、储存并可供微生物利用。许多细菌天然能够以甲醇生长，但这些细菌往往难以工程化或放大生产。相比之下，酵母Saccharomyces cerevisiae已经是酿造和生物技术行业的主力。可惜的是，先前让酵母在甲醇上良好生长的尝试遇到了一个基本问题：细胞没有足够的能量来驱动将这种简单醇转化为生物质和有用产物所需的全部反应。

构建以甲醇为燃料的酵母

作者们首先把注意力放在能量上，而不是立即安装完整的新碳固定通路。他们给酵母引入了一个“甲醇–甲醛–甲酸”氧化模块。该模块由来自其他微生物的一系列酶组成，将甲醇逐步氧化为二氧化碳。在这一过程中，它产生细胞能量货币ATP和NADH。随后，团队采用了适应性实验室进化：数月间，他们反复在仅含甲醇的培养基上培养工程化酵母，选择每轮生长稍好一些的幸存者。这个过程产生了一个进化株SC-AOX25，其在甲醇上的细胞密度能提升一倍以上，且生长速度超过此前报道的任何甲醇利用酵母株。

工程酵母如何利用碳与能量

在得到SC-AOX25后，研究者追踪了来自甲醇的碳如何在细胞内流动。利用13C标记，他们发现甲醇不仅被燃烧以获取能量；其部分碳也被编入氨基酸和中心代谢产物。酵母的三条天然通路发挥了关键作用：磷戊糖途径、乙醛酸–丝氨酸循环（glyoxylate–serine cycle）和还原性甘氨酸途径。共同作用下，这些通路使细胞能从甲醛、甲酸和由氧化模块产生的CO₂中整合碳。与此同时，特定的突变酶——称为Adh2m、Aoxm和Rgi2m，与本源酶Fdh1一起，增强了ATP和NADH的产生。敲除这些因子会显著降低甲醇利用和生长，表明它们构成了支撑这一新生活方式的“能量模块”。

用经典植物途径重新固定CO₂

团队接着探究这种高能量酵母是否也能帮助固定额外的CO₂。他们引入了卡尔文–本森–巴瑟姆循环（Calvin–Benson–Bassham cycle），即植物和某些细菌用于固定CO₂的通路，通过添加植物和细菌的关键步骤酶来实现。在名为SC-AOX25-CBB的新株中，标记实验显示来自培养基和甲醇氧化的CO₂都被重新捕获进入糖磷酸。这一额外的碳固定回路略微提高了生长和甲醇消耗，证明工程酵母可以作为一个灵活的平台，将不同的一碳通路插接在一起。

应对甲醇的阴暗面

甲醇的中间体，尤其是甲醛，具有高度毒性，因为它们可以将DNA和蛋白质交联，形成所谓的DNA–蛋白交联。通过电子显微镜和蛋白质组学，作者表明随着酵母在甲醇上生长，这类交联会积累，并涉及数百种关键蛋白，包括许多与能量产生和细胞分裂相关的蛋白。与其祖先相比，SC-AOX25更能应对这种应激，这得益于改进的解毒机制和大量重复的DNA片段，这些片段扩增了与ATP产生和蛋白质合成相关的基因。这些特征为增强工业菌株以抵御来自苛刻原料的化学损伤提供了新的策略线索。

这对未来绿色生物技术意味着什么

简单来说，研究者通过赋予面包酵母一个强大的内部动力装置并让进化调整系统，教会了它更高效地以甲醇为生。所得的菌株不仅将甲醇燃烧以获取能量，还利用现有通路回收其中的碳，并借助额外酶重新固定CO₂。这项工作将我们推向能够把废气转化为日常产品的微生物的目标，为在受碳约束的世界中实现更清洁的生产提供了潜在工具。

引用: Zhong, W., Liu, N., Chen, B. et al. Engineering energy-efficient Saccharomyces cerevisiae for methanol and CO₂ assimilation. Nat Commun 17, 1806 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68516-y

关键词: 甲醇生物转化, 工程化酵母, 二氧化碳固定, 合成甲基营养, 绿色生物制造