随着石油等资源日益枯竭，越来越需要新的原料来满足人们不断增长的生物炼制需求。甲醇是理想的可再生原料，其能量密度较高、来源广泛，且能够与现有设备对接。目前,甲醇可以由甲烷大量制备，特别是近年来实现电催化和光催化以CO2为原料制备甲醇，有望实现可持续、可再生甲醇生产模式，助力我国 “双碳” 战略。因此，构建微生物细胞工厂实现甲醇生物转化为高附加值化学品具有应用潜力。脂肪酸衍生物是油脂化工品、食品、生物燃料和材料等生产的基础原料，广泛应用于日常生产、生活各个方面。传统动植物油脂产量有限，难以满足日益增长需求，亟待发展油脂生产新技术。甲醇生物转化有望建立不依赖于耕地的脂肪酸供给路线。然而，微生物胞内甲醇代谢调控严谨复杂，且甲醇利用产生毒性代谢压力，限制了甲醇生物转化效率。
7月11日，我组在 Nature Metabolism上发表文章 “Rescuing yeast from cell death enables overproduction of fatty acids from sole methanol”。在甲醇酵母中，通过适应性进化与理性代谢工程改造相结合的方式，并借助多组学测序分析，缓解甲醇代谢压力，实现了甲醇生物转化高效合成脂肪酸。
首先，课题组构建了产脂肪酸多形汉逊酵母工程菌株，其在葡萄糖基础培养基中生长正常且能高效合成脂肪酸。但该菌株在甲醇中无法生长，而野生型汉逊酵母在甲醇中生长正常。课题组借助实验室适应性进化技术，通过在甲醇中连续传代，获得了驯化菌株，其能够在甲醇基础培养基中正常生长且高效合成脂肪酸。（图1）
图1. 实验室适应性进化恢复产脂肪酸汉逊酵母在甲醇中生长
为解析机制，课题组借助全基因组测序分析鉴定了两个关键突变基因LPL1（推测脂酶）和IZH3（与Zn代谢相关膜蛋白），其双敲除能够使产脂肪酸菌株在甲醇中恢复生长，并且能够提高野生型菌株甲醇耐受能力。进一步，脂质组学分析发现产脂肪酸菌株磷脂合成缺陷影响了过氧化物酶体膜完整性，导致关键有毒中间体甲醛泄漏，引起细胞坏死。而敲除LPL1和IZH3能够降低磷脂分解，保持细胞膜完整性，从而缓解甲醇代谢压力。最后，在转录组学指导下进行全局代谢重排，强化供应脂肪酸合成前体乙酰辅酶A和辅因子NADPH，使汉逊酵母以甲醇为唯一碳源合成15.9 g/L脂肪酸。（图2）
图2. 生物合成过程中甲醇毒性机制解析
该工作系统揭示了微生物细胞中甲醇代谢压力机制，并实现甲醇高效转化合成高附加值目标化合物，为甲醇生物转化工业化应用奠定了基础。该工作第一作者是我组助理研究员高教琪，通讯作者为周雍进研究员。上述工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目、大连化物所科研创新基金等项目的资助。（图文/高教琪）
专家点评：
谭天伟（中国工程院院士，北京化工大学）
习近平总书记在联合国大会上提出的 “双碳目标” 驱动我国经济快速向高质量发展转型。CO2作为化工原料优势明显，其来源广泛，其高效利用能缓解气候压力。然而，CO2结构稳定、能量低，其高值化利用充满挑战，将其活化为含能小分子甲醇等将有助于其高效转化。中国科学院大连化学物理研究所周雍进团队实现了高效甲醇生物转化，为CO2高值化利用提供了新思路。该工作中，作者从产脂肪酸菌株的致死表型出发，分别从理性代谢工程改造、适应性进化、多组学测序分析，鉴定了甲醇代谢压力机制及强化甲醇耐受能力关键基因靶点，实现了目标产物的大量合成。因此，该工作的研究成果将甲醇作为“桥梁与纽带”推动CO2的转化利用。同时化学-生物耦合的生产模式也值得更多深入探索与应用。
元英进（中国科学院院士，天津大学）
合成生物学技术将驱动新一轮的化学品高效生物制造。酵母细胞工厂具有诸多优势，易于培养、繁殖快且生产成本低等，目前已实现多种化学品规模化生产，因此，深入研究酵母代谢特性具有重大的科学意义与社会价值。中国科学院大连化学物理研究所周雍进团队构建甲醇细胞工厂合成脂肪酸时，发现甲醇代谢给细胞生长带来巨大压力。研究团队借助多组学技术阐明甲醇代谢压力机制并鉴定的关键基因LPL1和IZH3缺失能够使产脂肪酸细胞恢复生长，在此基础上发现了胞内磷脂稳态对甲醇代谢非常重要。最后研究团队借助转录组学鉴定潜在的代谢节点，基因编辑技术系统优化全局代谢，实现了甲醇为唯一碳源高效合成了脂肪酸。该工作将生物炼制底物谱从传统的糖类原料拓展到可再生原料甲醇，是合成生物学使能技术的成功应用。
