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开发基于生物制造的一碳原料资源化利用技术，是实现碳中和与可持续发展的重要途径。甲醇（Methanol）因其来源丰富、常温下为液态、含有较高能量等特性，成为替代传统糖类底物的优良碳源。尽管已有部分研究实现了在非甲基营养型微生物中的甲醇利用，将非甲基营养菌转变为能够以甲醇为唯一碳源生长的合成甲基营养菌依然面临复杂的代谢工程挑战。近日，南京工业大学的姜岷教授、章文明教授在《Science Advances》上发表了题为“Evolutionary engineering of
Saccharomyces cerevisiae: Crafting a synthetic methylotroph via
self-reprogramming”的研究论文。该研究通过染色体重排技术与实验室适应性进化，将酿酒酵母成功转化为合成甲基营养菌，揭示了酿酒酵母代谢网络的灵活性及其在一碳原料转化方面的潜力。
经典的代谢工程通常依赖理性设计，通过精确的基因改造来引入或优化代谢路径。然而，在应对复杂的代谢网络调控时，这一策略往往难以兼顾提高酶活性、平衡辅因子与能量、调节基因表达以及中间代谢物解毒等诸多要求，而这些均是一碳化合物同化过程中公认的瓶颈。在该研究中，研究团队采用了合成染色体重排（SCRaMbLE）技术（图1），结合实验室适应性进化（ALE）技术，通过自然选择过程，成功获得了三株能够以甲醇作为唯一碳源生长的酿酒酵母菌株，其中生长速率最快的SCSA001，其倍增时间为58.18小时（图2）。基因组变异分析显示，原有的外源甲醇同化途径在进化过程中被删除，进化菌株转而通过突变的醇脱氢酶（Adh2*）实现甲醇氧化（图3）。结合转录组分析，研究团队推测，进化后的菌株通过一种杂合的Adh2-Sfa1-rGly（ASrG）途径，实现了甲醇、甲酸与二氧化碳的共利用（图4）。对ASrG途径的进一步分析表明该途径通过甲醇的连续氧化提供能量。为此，研究团队引入了无机光催化材料C3N4量子点，为菌株的代谢过程提供额外的能量支持，成功将菌株的倍增时间缩短了14.5%至21.6%。此外，研究人员还发现丝氨酸在ASrG途径中起着关键作用，通过外源添加丝氨酸或调控相关基因的表达，可以进一步促进甲醇的同化（图5）。
图1. 酿酒酵母的染色体重排过程
图2. 通过实验室适应性进化筛选合成甲基营养型菌株
图3. 进化菌株的基因组测序分析
图4. 转录组学分析表明菌株通过ASrG途径实现甲醇同化
图5. ASrG途径的表征与验证
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