甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）是导致全球气候变暖的主要温室气体，它们的排放量与温室效应紧密相关。为了应对能源使用活动产生的温室气体排放导致的全球气候变暖问题，全球学术界和产业界越来越重视CH4和CO2的捕获与利用。通过先进的生物制造技术和合成生物学技术，可以利用微生物有效地固定这些温室气体，这不仅能够显著减少温室气体的排放，而且可以将沼气、煤矿瓦斯、废弃天然气（如页岩气）转化为高价值的化学品，这对于实现中国的碳中和目标和能源的高效综合利用具有重大意义。琥珀酸作为一种重要的二元羧酸，在医药、可降解塑料和食品添加剂的生产中有着广泛的应用。因此，利用CO2和CH4作为原料生产琥珀酸，可以减少对化石资源的依赖，拓展生物制造的原料来源，并推动国家的绿色可持续发展。
西安交通大学的费强团队在将温室气体转化为琥珀酸的研究中取得了显著的进展。该团队首次在I型甲烷氧化菌中引入了磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PPC）和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（PCK），异源重构了丝氨酸途径，实现了CH4和CO2的共同利用。通过同位素标记实验，团队验证了人工丝氨酸途径的成功构建，并确认了CO2被定向导入琥珀酸的生物合成过程。此外，通过高密度发酵技术，实现了甲烷基琥珀酸的最高产量。这项研究显著提高了I型甲烷氧化菌的整体碳通量和利用效率，并深入解析了底盘细胞工厂中碳代谢流的协同适配机制。这一策略为CH4和CO2向高价值化学品的高效转化提供了一种创新的方法，并为实现可持续的生物制造模式提供了新的思路。
该研究成果以“工程改造甲烷氧化菌共利用甲烷和CO2生物合成琥珀酸” （Bioupcycling Methane and CO2 for Succinate Production by an Engineered Type I Methanotrophic Bacterium）为题，已在农林科学技术领域的著名期刊《农业与食品化学杂志》（Journal of Agricultural and Food Chemistry）上作为封面文章发表。西安交通大学为第一通讯单位，化工学院博士生王薇廷和郭树奇副教授为共同第一作者。这项研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、陕西省杰出青年基金和陕西高校创新团队等项目的支持。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.jafc.4c05097
甲烷氧化菌共利用CH4和CO2生物合成琥珀酸
