综述：合成甲基营养微生物中的甲醇代谢

　　这篇综述系统探讨了甲醇作为理想碳源在化学生物制造中的应用潜力，重点解析了天然甲基营养菌（如K. phaffii、M. extorquens）与工程菌（如E. coli、S. cerevisiae）的甲醇代谢途径（包括甲醛和甲酸代谢），并综述了人工甲基营养改造策略（如C1同化途径设计、适应性实验室进化ALE）。文章为开发高效甲醇生物转化平台提供了理论框架。

　　

Abstract

甲醇因其储量丰富且易获取的特性，成为生物制造领域备受关注的理想碳源。甲基营养微生物能够利用甲醇、甲烷或甲醛等还原性单碳（C1）化合物作为唯一碳源和能量来源。除天然甲基营养菌（如Komagataella phaffii、Methylobacterium extorquens）外，通过重构甲醇利用途径，Escherichia coli等模式微生物也被改造成合成甲基营养菌，显著拓展了甲醇代谢的应用场景。

Introduction

作为最简单的单碳醇，甲醇虽具有细胞毒性，但能被天然甲基营养菌高效利用。近年来，通过引入异源代谢模块和优化辅因子平衡，E. coli和Saccharomyces cerevisiae等工程菌已实现甲醇依赖性生长。例如，James Liao团队和Vorholt团队分别报道了E. coli的全甲醇生长表型，而Keasling团队在S. cerevisiae中实现了类似突破。计算生物学辅助设计的ATP非依赖型C1同化循环（如Yang等提出的理论碳转化率达100%的途径）为人工甲基营养提供了新思路。

Methanol characterization and application in fermentation

甲醇的还原度（6.0）显著高于葡萄糖（4.0）等传统碳源，赋予其更高的能量储存潜力。全球可再生甲醇产能预计2027年达1920万吨，为生物制造提供充足原料。

Methanol metabolism pathways

甲醇代谢分为异化（生成CO₂
）和同化（支持生长）两条分支：

1. 氧化途径：甲醇→甲醛→甲酸→CO₂
   ，依赖甲醇脱氢酶（MDH）和甲醛脱氢酶（FldA）
2. 同化途径：核酮糖单磷酸（RuMP）循环和丝氨酸循环是天然菌主要同化路线，而工程菌中引入的二羟基丙酮合酶（DAS）途径可实现碳高效固定

Construction of synthetic methylotrophy

合成甲基营养改造策略包括：

• 途径移植：在E. coli中表达Bacillus methanolicus的MDH和K. phaffii的DAS
• 适应性进化：通过ALE提高菌株甲醇耐受性
• 区室化工程：在S. cerevisiae过氧化物酶体中构建甲醇代谢模块
• 辅因子工程：优化NAD(P)H平衡以增强甲醛氧化通量

Conclusions

当前挑战包括甲醇毒性抑制和同化效率不足。未来可通过基因组重排、动态调控等策略优化菌株性能。随着新型C1同化途径的发掘与优化，甲醇生物制造有望媲美传统糖基发酵工艺。