来源：Tailoring CO2 fixation through glucose and acetone as co-substrates for mevalonate biosynthesis with high carbon atom economy（Sustainable Chemistry and Pharmacy）| 编译：DNA Lab Space | 原文许可：elsevier-subscription
导读
甲羟戊酸（MVA）是萜类化合物生物合成的关键平台中间体，但传统糖酵解路径合成MVA时每生成一分子MVA会释放三分子CO₂，理论碳原子效率仅为66.6%。本研究在E. coli中构建了一条全新的葡萄糖–丙酮共底物合成路径，将丙酮同化与CO₂固定相偶联，通过多模块代谢工程改造（包括竞争路径抑制、碳酸酐酶工程、ATP供给调控等），最终在5 L生物反应器中实现2130 mg/L的MVA产量，并以¹³C同位素示踪直接证实CO₂被整合进入MVA生物合成路径。
研究背景
MVA途径是生物制造领域中具有重要工业价值的核心合成路线。MVA作为关键中间体，在萜类等天然产物的生物合成中发挥核心作用，广泛应用于制药、化妆品、食品和农业等领域。自Tabata和Hashimoto首次在E. coli中引入粪肠球菌（Enterococcus faecalis）的异源MVA途径以来，后续研究通过优化异源基因簇和工程化碳高效代谢路线，逐步提高了MVA产量。例如，Zhu等人开发了一种双功能生物传感器，可感知并动态调控糖酵解通量和下游生物合成途径，使工程菌株在120小时发酵后MVA产量达到111.3 g/L，摩尔产率为63%。然而，传统糖酵解路径合成MVA需要三分子乙酰-CoA，同时释放三分子CO₂，理论碳原子效率最高仅为66.6%。针对这一碳损失瓶颈，本研究提出了一种此前未见报道的葡萄糖–丙酮共底物策略，通过偶联丙酮同化与CO₂固定来提高MVA生物合成的理论碳原子得率。
研究方法
5.1 菌株与基因
E. coli DH5α用于质粒构建与扩增。E. coli BL21(DE3)作为基因表达和MVA生产的宿主菌株。以下基因由GENEWIZ（中国苏州）合成并经密码子优化以适应E. coli：mvas（编码来自E. faecalis的羟甲基戊二酰-CoA合酶）；fdh（编码来自Candida boidinii的甲酸脱氢酶）；vhb（编码来自Vitreoscilla的细菌血红蛋白）；ac（编码来自Xanthobacter的丙酮羧化酶）；hmgr（编码来自Silicibacter pomeroyi的3-羟基-3-甲基戊二酰-CoA还原酶）；aacs（编码来自Streptomyces的乙酰乙酰-CoA合成酶）。本研究使用的所有菌株、质粒和引物列于补充材料中。质粒使用一步克隆试剂盒（TransGen Biotech，中国北京）构建。
【数据】菌株：E. coli DH5α、E. coli BL21(DE3)；基因来源：E. faecalis、Candida boidinii、Vitreoscilla、Xanthobacter、Silicibacter pomeroyi、Streptomyces；质粒构建试剂盒：一步克隆试剂盒（TransGen Biotech）
5.2 培养基组成与培养条件
LB培养基用于种子培养，M9培养基用于摇瓶发酵。种子培养制备时，挑取单菌落接种于5 mL LB培养基中，于37°C、200 rpm振荡培养。约12小时后，将1 mL种子培养液转移至装有100 mL M9培养基（添加20 g/L葡萄糖和2 mM MgSO₄）的500 mL摇瓶中。随后于37°C、200 rpm培养约7小时。对于异源蛋白表达，当细胞密度达到OD₆₀₀为0.6–0.8时，加入异丙基β-D-1-硫代半乳糖苷（IPTG）至终浓度0.5 mM。随后向培养物中添加丙酮（2 g/L）、NaHCO₃（2 g/L）、MnCl₂（50 μM）、ZnSO₄（38 μM）和硫酸亚铁铵六水合物（27 μM）。诱导后，培养物于30°C、200 rpm继续培养48小时，然后收获进行后续分析。需要时，向培养基中添加氯霉素（34 mg/L）、卡那霉素（50 mg/L）和链霉素（50 mg/L）。除非另有说明，所有定量实验均设置三个生物学重复。数据以平均值±标准差（SD）表示。使用GraphPad Prism进行统计分析。两组间比较采用双尾Student's t检验评估统计学显著性；多组间比较采用单因素方差分析（ANOVA）后接Tukey事后检验。差异在p < 0.05时被认为具有统计学显著性。
【数据】种子培养基：LB；发酵培养基：M9；葡萄糖：20 g/L；MgSO₄：2 mM；种子培养温度/转速/时间：37°C、200 rpm、约12h；发酵培养温度/转速/时间：37°C、200 rpm、约7h；IPTG浓度：0.5 mM；诱导OD₆₀₀：0.6–0.8；丙酮：2 g/L；NaHCO₃：2 g/L；MnCl₂：50 μM；ZnSO₄：38 μM；硫酸亚铁铵六水合物：27 μM；诱导后培养：30°C、200 rpm、48h；抗生素：氯霉素34 mg/L、卡那霉素50 mg/L、链霉素50 mg/L；统计显著性阈值：p < 0.05
5.3 分析方法
葡萄糖、乳酸、乙酸和甲羟戊酸（MVA）的定量使用高效液相色谱（HPLC）系统（LC-20AT，Shimadzu，日本）完成，配备Aminex HPX-87H色谱柱（Bio-Rad，美国）和示差折光检测器（RID）。流动相为5 mM H₂SO₄，流速0.5 mL min⁻¹，柱温维持50°C。丙酮、乙酰乙酸和3-羟基丁酸（3-HB）使用同一HPLC系统配备紫外检测器进行分析，检测波长分别设定为270 nm和210 nm。流动相为0.6 mM H₂SO₄，流速0.4 mL min⁻¹，检测器温度维持在25°C。掺入MVA的CO₂量基于工程化丙酮同化途径的化学计量关系进行估算——理论上每生成1 mol MVA固定1 mol CO₂。因此，总CO₂固定量由MVA的摩尔产率计算并转换为质量单位。该值代表化学计量学估算而非直接实验测量值。
【数据】HPLC系统：LC-20AT（Shimadzu）；色谱柱：Aminex HPX-87H（Bio-Rad）；MVA检测流动相：5 mM H₂SO₄；流速：0.5 mL min⁻¹；柱温：50°C；丙酮/乙酰乙酸/3-HB检测波长：270 nm和210 nm；流动相：0.6 mM H₂SO₄；流速：0.4 mL min⁻¹；检测器温度：25°C；CO₂固定化学计量：1 mol CO₂/mol MVA（理论值）
5.4 MVA得率与碳原子得率的计算
MVA得率基于发酵过程中MVA产量和底物消耗量计算。丙酮消耗量使用无细胞对照在相同发酵条件下校正非生物性丙酮损失后计算。基于丙酮消耗的MVA得率、基于葡萄糖消耗的MVA得率、基于总共底物消耗的总体摩尔得率以及总体碳原子得率按以下公式计算：
(2) 丙酮至MVA摩尔得率(%) = MVA产量(mol) / 丙酮消耗量(mol) × 100%
(3) 葡萄糖至MVA摩尔得率(%) = MVA产量(mol) / 葡萄糖消耗量(mol) × 100%
(4) 总体摩尔得率(%) = MVA产量(mol) / [葡萄糖消耗量(mol) + 丙酮消耗量(mol)] × 100%
(5) 总体碳原子得率(%) = [6 × MVA产量(mol)] / [6 × 葡萄糖消耗量(mol) + 3 × 丙酮消耗量(mol)] × 100%
【数据】丙酮损失校正：无细胞对照；MVA得率公式：见式(2)–(5)；碳原子得率计算公式中葡萄糖碳原子数：6；丙酮碳原子数：3
研究结果
2.1 葡萄糖和丙酮共底物路径的构建
本研究的主要目标是在E. coli中设计和构建一条以丙酮和葡萄糖为共底物、实现MVA从头生物合成的合成路径。如图1所示，研究实施了一种模块化路径架构：葡萄糖主要分配用于支持细胞生长和供给乙酰-CoA，而丙酮则与CO₂一起通过丙酮羧化酶（AC）和乙酰乙酰-CoA合成酶（Aacs）同化生成乙酰乙酰-CoA。随后，乙酰-CoA和乙酰乙酰-CoA在HMG-CoA合酶（MvaS）作用下缩合为3-羟基-3-甲基戊二酰-CoA（HMG-CoA）。最后，HMG-CoA被HMG-CoA还原酶（HmgR）还原为甲羟戊酸（MVA）。来自E. faecalis的mvaS基因编码HMG-CoA合酶，是构建异源MVA途径的成熟模块，已在工程化E. coli系统中得到反复验证。鉴于糖酵解供给NADH，研究选用了来自Silicibacter pomeroyi的NADH依赖性HmgR，以更好地匹配还原当量供给并维持胞内氧化还原平衡。
作为葡萄糖利用模块，研究首先构建了菌株LV-1——在工程化E. coli中过表达AtoB（硫解酶）、MvaS和HmgR，以验证以葡萄糖作为唯一碳源的MVA生物合成。摇瓶发酵表明，该工程菌株在48小时后产生1100 mg/L MVA（图S1），证实葡萄糖利用模块已功能性建立，能够支持后续葡萄糖和丙酮共底物路径的构建。
在上述研究基础上，接下来验证了丙酮利用模块。具体而言，该验证旨在检验丙酮能否通过AC和Aacs的连续作用转化为乙酰乙酰-CoA。为鉴定更高效的乙酰乙酸活化步骤，首先在体外比较评价了来自大鼠、Streptomyces和Rhizobium的乙酰乙酰-CoA合成酶（图2A）。系统中使用的大鼠来源酶催化活性较低，而来自Streptomyces和Rhizobium的同源酶表现出显著更高的效率，可在30分钟内完全转化2 mM乙酰乙酸。使用Streptomyces来源Aacs的进一步测定表明，其能高效形成乙酰乙酰-CoA，30分钟内达到1.4 mM，得率约为70%（图2B）。基于这些结果，研究选择Streptomyces来源的Aacs用于后续所有的路径构建和优化。
丙酮来源的乙酰乙酰-CoA可被内源性乙酰-CoA乙酰转移酶（由atoB编码）进一步转化为乙酰-CoA，从而进入中心代谢支持细胞生长。因此，以丙酮存在下的细胞生长情况来评估所引入的丙酮同化路径在体内是否具有功能。研究构建了菌株LV-2，过表达ac、aacs和atoB基因，在含有2 g/L葡萄糖作为基础碳源的摇瓶中培养。添加2 g/L丙酮后，LV-2的OD₆₀₀值高于仅含葡萄糖的对照组（图S2）。为进一步评估丙酮本身是否影响宿主生长，使用野生型E. coli BL21(DE3)进行了丙酮耐受性测定。如图S7所示，与无丙酮对照相比，5 g/L丙酮并未显著抑制细胞生长，表明共底物发酵中使用的2 g/L丙酮在E. coli的耐受范围内。这些结果表明，丙酮同化路径中的AC和Aacs在体内具有催化活性，支持将丙酮利用分支引入共底物路径的可行性。
为建立用于MVA生物合成的葡萄糖和丙酮共底物路径，首先删除了E. coli中内源的atoB基因，以阻断从葡萄糖来源乙酰-CoA生成乙酰乙酰-CoA的天然途径。该删除确保了胞内乙酰乙酰-CoA仅来源于丙酮同化。在此基础上，整合了葡萄糖和丙酮利用的异源模块。在工程化路径中，葡萄糖主要支持细胞生长，并供给一分子乙酰-CoA，用于与丙酮来源的乙酰乙酰-CoA缩合，在MvaS作用下生成HMG-CoA，最终由HmgR还原为MVA。所得的atoB敲除菌株LV-4用于以葡萄糖和丙酮为共底物的MVA生物合成。如图2C所示，在无丙酮条件下未检测到MVA，表明内源乙酰乙酰-CoA生成途径的破坏使得丙酮来源的乙酰乙酰-CoA对MVA生物合成不可或缺。该结果证实工程化共底物路径在体内按设计运行。在摇瓶条件下，工程菌株仅产生微量MVA，约为30 mg/L（图2C）。即使放大至5 L生物反应器，MVA滴度也仅小幅增加至500 mg/L（图2D）。LC-MS/MS分析通过与真实MVA标准品比较，进一步确认了检测产物为MVA。发酵产物与标准品显示出相同的去质子化分子离子和一致的MS/MS碎裂模式（图S3）。
与以葡萄糖为碳源的MVA生物合成相比，共底物条件下的MVA产量显著降低。这一观察结果表明，atoB基因的缺失严重限制了胞内乙酰乙酰-CoA的形成，迫使菌株完全依赖丙酮来源的乙酰乙酰-CoA。然而，从丙酮到乙酰乙酰-CoA的代谢通量不足以支持高效的MVA生物合成。此外，丙酮同化的ATP依赖性特征，加上乙酰乙酸可能分流至其他竞争途径，可能进一步加剧了通量限制。综合来看，这些观察结果表明前体供给和能量约束都可能限制了初始共底物设计的性能，凸显了在后续工程步骤中抑制竞争途径和改善ATP供给的必要性。
【数据】LV-1摇瓶MVA产量：1100 mg/L（48h）；Aacs体外催化：2 mM乙酰乙酸30 min内完全转化（Streptomyces和Rhizobium来源）；Streptomyces来源Aacs产物浓度：1.4 mM乙酰乙酰-CoA（30 min），得率约70%；丙酮耐受浓度：5 g/L无显著抑制；LV-4摇瓶MVA产量：约30 mg/L；LV-4在5 L反应器中MVA滴度：500 mg/L；atoB敲除后无丙酮条件下MVA：未检测到
2.2 3-羟基丁酸作为主要副产物的鉴定及通过*atoS*缺失减少碳损失
尽管定性和定量分析均证实了葡萄糖和丙酮共底物路径的可行性，但所获得的MVA滴度仍远低于共底物设计的理论潜力。为阐明潜在的限制因素，分析了与丙酮同化相关的下游代谢物。结果揭示了3-羟基丁酸（3-HB）的大量积累，3-HB水平约为MVA的20倍（图3B），表明由丙酮羧化合成的乙酰乙酸（AcAc）被转移至3-HB这一关键代谢分支点作为副产物。由于AcAc作为MVA生物合成的前体，其通过竞争反应转化为3-HB将碳通量从MVA生产中转移（图3A）。因此，AcAc节点的碳分流是限制路径性能的关键代谢约束，凸显了减少AcAc消耗性副反应以进一步提高共底物系统中MVA产量的必要性。
AtoSC双组分系统（TCS）由传感器组氨酸激酶AtoS和响应调节因子AtoC组成，可通过atoDAEB操纵子的转录调控来调节E. coli中的短链脂肪酸代谢。具体而言，AtoSC系统可被乙酰乙酸激活，进而上调atoDAEB操纵子的转录，其中atoD和atoE编码乙酰乙酸:琥珀酰-CoA转移酶亚基，atoB编码硫解酶。在当前的共底物系统中，atoB已被删除，但内源atoS和atoC基因仍然完整。因此推测AtoSC系统可能感知AcAc积累并激活atoD和atoE的表达，后者可能将AcAc转化为乙酰乙酰-CoA，随后进入β-氧化途径或转化为3-HB。为验证这一假设并减少AcAc节点的碳损失，在atoB缺失菌株LV-4的基础上进一步删除了atoS基因，构建了菌株LV-5（ΔatoB ΔatoS），该菌株携带pCDFDuet-ac-aacs和pACYCDuet-mvas-hmgr质粒。
摇瓶发酵结果表明，atoS缺失显著降低了3-HB的积累，同时MVA产量提高至约1010 mg/L（图3B）。与LV-4（约30 mg/L）相比，LV-5的MVA产量提高了约33倍。在5 L生物反应器中，LV-5的MVA滴度进一步提高至约1300 mg/L（图3B）。这些结果证实，atoS缺失有效缓解了AcAc节点处的碳分流，显著改善了共底物路径的碳流向MVA的效率。同时，该结果也验证了AtoSC系统在AcAc代谢调控中的重要作用——通过删除atoS，阻断了AcAc介导的atoDAEB操纵子转录激活，从而减少了AcAc向副产物3-HB的转化。
【数据】3-HB水平：约为MVA的20倍；LV-5摇瓶MVA产量：约1010 mg/L；LV-5 vs LV-4 MVA产量提高倍数：约33倍；LV-5在5 L反应器中MVA滴度：约1300 mg/L；菌株基因型：LV-5为ΔatoB ΔatoS携带pCDFDuet-ac-aacs和pACYCDuet-mvas-hmgr
2.3 碳酸酐酶工程对MVA生产的影响
在共底物路径中，丙酮羧化酶（AC）催化丙酮与CO₂的羧化反应生成乙酰乙酸。理论上，该反应每固定一分子CO₂需要消耗一分子ATP。为增强CO₂的供给和固定效率，研究探索了碳酸酐酶（CA）的过表达策略。碳酸酐酶可催化CO₂水合生成HCO₃⁻，提高胞内无机碳的浓度，从而为AC提供充足的底物。研究构建了菌株LV-7和LV-8，分别通过胞内表达和细胞表面展示两种策略来增强CO₂的供给。
LV-7由LV-5衍生而来，使用pET28a-ca质粒在胞内表达碳酸酐酶。LV-8同样由LV-5衍生，使用pET28a-ompA-ca质粒将碳酸酐酶展示在细胞表面（通过OmpA锚定）。在摇瓶发酵条件下，与LV-5对照相比，LV-7和LV-8的MVA产量均有所提高。实验结果表明，增强CO₂水合能力确实有利于共底物路径中丙酮羧化步骤的进行，从而促进MVA的合成。
【数据】LV-7构建策略：pET28a-ca胞内表达碳酸酐酶；LV-8构建策略：pET28a-ompA-ca细胞表面展示碳酸酐酶；LV-7和LV-8均由LV-5衍生
2.4 LC-MS/MS分析MVA及¹³C同位素示踪验证CO₂固定
为直接验证CO₂是否被整合进入MVA生物合成路径，研究使用NaH¹³CO₃进行了¹³C同位素示踪实验。实验中，LV-8（ΔatoB ΔatoS菌株，携带pCDFDuet-ac-aacs、pACYCDuet-mvas-hmgr和pET28a-ompA-ca）在含有¹³C标记的NaH¹³CO₃的培养基中培养。LC-MS/MS分析显示，MVA分子中掺入了一个¹³C原子，导致质量增加1 Da，产生特征性的m/z值为149.0694的离子峰。这一结果直接证实了CO₂通过丙酮羧化途径被固定并整合进入MVA分子骨架。
该同位素示踪实验提供了CO₂固定的直接分子证据，表明工程化的丙酮同化路径确实能够将无机碳（CO₂/HCO₃⁻）转化为有机碳并整合进入目标产物MVA中。这一发现从分子层面验证了共底物策略的碳守恒优势——通过丙酮同化路径，原本在糖酵解过程中以CO₂形式释放的碳被重新捕获并用于产物合成。
【数据】¹³C标记物：NaH¹³CO₃；MVA质量增加：1 Da；特征m/z值：149.0694；实验菌株：LV-8（ΔatoB ΔatoS携带pCDFDuet-ac-aacs、pACYCDuet-mvas-hmgr和pET28a-ompA-ca）
2.5 非靶向代谢组学揭示丙酮添加的代谢差异
为全面了解丙酮添加对菌株胞内代谢的影响，研究采用非靶向代谢组学方法比较了有/无丙酮补充条件下的代谢谱差异。主成分分析（PCA）显示，丙酮添加组与对照组在代谢谱上存在明显分离（图6A），表明丙酮的添加显著改变了胞内代谢状态。火山图分析鉴定了差异积累代谢物（图6B）。KEGG通路分类和富集分析显示，显著变化的代谢物涉及多个代谢通路（图6C），包括与丙酮代谢、氨基酸代谢以及辅因子代谢相关的通路。
代谢组学数据进一步揭示了丙酮同化对胞内代谢网络的多方面影响。丙酮的添加不仅为MVA合成提供了额外的乙酰乙酰-CoA前体，还可能通过改变胞内代谢物平衡影响整体的碳代谢和能量代谢。这些发现为理解共底物策略的代谢基础提供了系统层面的视角。
【数据】分析方法：PCA、火山图、KEGG通路富集分析；样本：有/无丙酮补充条件下的胞内代谢物
2.6 外源ATP补充对MVA生产的影响
丙酮同化途径是一个ATP依赖的过程——丙酮羧化酶催化丙酮与CO₂的羧化反应需要消耗ATP（图7A）。为验证ATP供给是否是共底物路径的限制因素，研究在LV-5的培养物中添加了外源ATP。实验结果表明，外源ATP的补充确实提高了MVA的产量（图7B），证实了ATP供给对丙酮同化路径的重要性。这一结果与前述观察一致——ATP不足可能限制了丙酮羧化酶的催化效率，从而制约了整个共底物路径的通量。
【数据】外源ATP补充：提高LV-5的MVA产量；ATP作用位点：丙酮羧化酶催化的丙酮羧化反应
2.7 FDH和VHb表达策略对MVA生产的影响
甲酸脱氢酶（FDH）和透明颤菌血红蛋白（VHb）是代谢工程中常用于调节胞内氧化还原平衡和改善氧气供给的两种工具酶。FDH催化甲酸氧化为CO₂，同时将NAD⁺还原为NADH，可提供额外的还原力。VHb是一种细菌血红蛋白，可在低氧条件下改善细胞的有氧呼吸效率。研究评估了静态表达FDH和VHb对MVA生产的影响。
LV-8为ΔatoB ΔatoS菌株，携带pCDFDuet-ac-aacs、pACYCDuet-mvas-hmgr和pET28a-ompA-ca。LV-9和LV-10由ΔatoB ΔatoS葡萄糖-丙酮共底物菌株衍生而来，分别表达FDH和VHb。实验结果显示，FDH和VHb的表达策略对MVA产量有不同的影响。其中，VHb的表达有助于改善细胞在发酵后期的氧气供给，可能通过增强有氧代谢支持细胞活力和产物合成。
【数据】LV-8基因型：ΔatoB ΔatoS携带pCDFDuet-ac-aacs、pACYCDuet-mvas-hmgr和pET28a-ompA-ca；LV-9和LV-10：分别表达FDH和VHb
2.8 完全优化菌株LV-17的性能
通过整合多个代谢工程模块，研究构建了完全优化的菌株LV-17。LV-17为ΔatoB ΔatoS菌株，携带pCDFDuet-ac-aacs、pACYCDuet-mvas-hmgr和pET28a-ompA-ca-vhb三个质粒。该菌株整合了以下优化策略：（1）atoB缺失以阻断内源乙酰乙酰-CoA生成；（2）atoS缺失以减少AcAc向3-HB的分流；（3）细胞表面展示碳酸酐酶（OmpA-CA）以增强CO₂水合；（4）共表达VHb以改善氧气供给。数据以三个生物学重复的平均值±SD表示。
在摇瓶条件下，LV-17的MVA产量较前期菌株进一步提高，表明多模块整合策略的叠加效应有效改善了共底物路径的整体性能。
【数据】LV-17基因型：ΔatoB ΔatoS携带pCDFDuet-ac-aacs、pACYCDuet-mvas-hmgr和pET28a-ompA-ca-vhb；生物学重复：3个
2.9 5 L生物反应器补料分批发酵
为评估优化菌株LV-17的规模化生产性能，研究在5 L生物反应器中进行了补料分批发酵实验。LV-17为ΔatoB ΔatoS菌株，携带pCDFDuet-ac-aacs、pACYCDuet-mvas-hmgr和pET28a-ompA-ca-vhb。发酵过程中监测了细胞生长、底物消耗和MVA产量等参数的变化。
最终，补料分批发酵在5 L生物反应器中实现了2130 mg/L的MVA滴度。这一结果较初始菌株LV-4在相同规模下的500 mg/L提高了约4.3倍，充分验证了多模块代谢工程策略在放大规模下的有效性。
【数据】5 L反应器MVA终产量：2130 mg/L；LV-17 vs LV-4（5 L）产量提高倍数：约4.3倍；菌株：LV-17（ΔatoB ΔatoS携带pCDFDuet-ac-aacs、pACYCDuet-mvas-hmgr和pET28a-ompA-ca-vhb）
讨论与解读
尽管葡萄糖–丙酮共底物设计具有理论上的碳守恒优势，当前系统的实际性能仍存在局限。在摇瓶培养和5 L生物反应器发酵中，总体摩尔得率和实际碳原子得率仍显著低于理想化学计量潜力，表明理论碳守恒的改善并不会自动转化为高产率。主要限制在于葡萄糖来源的碳仍可分配至内源途径，包括乙酸和乳酸生成、TCA循环代谢和生物质合成。因此，进一步减少溢流副产物形成、优化葡萄糖来源的乙酰-CoA供给将是提高系统整体碳效率的必要措施。此外，尽管表观丙酮来源单元效率较高，但该值反映的是丙酮消耗与MVA形成之间的化学计量偶联，而非丙酮对MVA的专属碳贡献。对碳源的完整定量分配需要底物分辨的同位素示踪，如¹³C-丙酮和¹³C-葡萄糖标记，结合¹³C辅助的代谢通量分析。相对较低的绝对丙酮消耗量也表明，当前工程背景下丙酮同化能力仍受到限制。
编译者解读： 本研究以"碳原子经济性"为设计原点，巧妙地将丙酮同化与CO₂固定耦合到MVA合成路径中，从源头回应了传统糖酵解路径碳损失的核心痛点。方法层面，AtoS缺失与碳酸酐酶表面展示的模块化整合体现了系统性代谢工程的成熟思路；¹³C示踪直接锁定CO₂进入产物的分子证据，说服力强。5 L规模2130 mg/L的产量虽尚不及部分葡萄糖路径报道值，但该策略在低碳可持续制造方向上的概念验证价值不可低估。后续若结合¹³C-丙酮/葡萄糖双标记通量分析，有望精确量化各底物的碳贡献，进一步指导路径优化。
参考来源
Lu W. Tailoring CO₂ fixation through glucose and acetone as co-substrates for mevalonate biosynthesis with high carbon atom economy. Sustainable Chemistry and Pharmacy, 2026.
DOI: 10.1016/j.scp.2026.102489
DOI: 10.1016/j.scp.2026.102489