近日，山东大学微生物改造技术全国重点实验室教授赵广课题组在高碳得率底盘细胞设计方面取得新进展。该课题组设计出一种杂合碳—能量自主平衡动态代谢中枢，实现了微生物碳封存与能量供给的实时自动平衡。相关成果发表于《自然?通讯》。

碳得率表征反应过程中原料碳元素向目标产物的转化程度。在“双碳”目标背景下，其已成为评价细胞工厂的关键指标之一。乙酰辅酶A既是微生物代谢的关键中间体，也是多种工业化学品的共同前体。然而，微生物经糖酵解途径利用葡萄糖时，仅生成两分子乙酰辅酶A并释放二氧化碳，理论碳得率只有66.7%。

此前开发的碳封存途径虽然能够二氧化碳转化为有机物，提高碳得率，却不产生还原力；而还原力驱动着数百种氧化还原反应，并可经呼吸链生成细胞的“能量货币”——ATP，是影响微生物生长和代谢的重要因素。因此，碳得率与能量供给往往此消彼长，无法平衡。

课题组构建了杂合碳—能量自主平衡动态代谢中枢。该中枢以糖酵解途径中间体磷酸烯醇式丙酮酸为核心节点，将其分流进入两个功能互补的模块——碳封存模块和能量生成模块。其中，碳封存模块通过羧化反应固定二氧化碳，把核心节点转化为两分子乙酰辅酶A，碳得率高达133%。而能量生成模块可经丙酮酸激酶和丙酮酸脱氢酶生成乙酰辅酶A并产生还原力与ATP。

此外，碳封存和能量生成模块由还原力响应调控网络统一指挥。当其在细胞内充足时，将会自动强化碳封存模块，同时抑制能量生成模块，优先“省碳”；还原力不足时则切换到能量生成模块“补能”。两模块基因表达呈反相振荡，细胞在两种代谢状态间自主切换。

实验结果显示，经该设计改造后菌株胞内乙酰辅酶A浓度达野生型的3.75倍，二氧化碳排放降至约42%。针对乙酰辅酶A与能量需求各异的五种产品，此中枢均显著提升了产量与得率。其中，乙酸和甲羟戊酸的碳得率均突破天然途径的理论上限，3-羟基丙酸、聚羟基丁酸酯和乙醇的产量与得率均较出发菌株提升4倍以上。

这项研究成功为构建高碳得率通用底盘细胞、助力碳中和目标下的生物制造提供了可推广的新范式。

中国科学院大连化物所、青岛生物能源所、广州能源所为本研究参与单位，山东大学生命环境研究公共技术平台在质谱分析方面给予了大力支持。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、泰山学者计划、微生物改造技术全国重点实验室前沿探索项目、大化所先进生物制造中心融合基金、博士后国资计划等资助。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41467-026-78191-8