让大肠杆菌一边产 L-精氨酸,一边吃掉自己的二氧化碳

这是一篇设想——一个我反复琢磨、却还没来得及全部落地的代谢工程蓝图。它源于我在合成生物学课上对”发酵罐里冒出的 CO₂ 到底该不该心疼”这个问题的执念。

一个被忽视的浪费

工业发酵生产 L-精氨酸时,主流底盘是大肠杆菌(E. coli)或谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum)经过代谢重排的工程菌株。改造思路通常是:解除反馈抑制、强化前体供应、敲除竞争途径、过表达限速酶——把碳流尽可能多地推向精氨酸。

但无论怎么优化,有一个事实始终存在:每生成一分子精氨酸,代谢网络中都会有碳以 CO₂ 的形式逸出。

• TCA 循环中异柠檬酸 → α-酮戊二酸 由 icl 路径补充时,会释放 CO₂
• 精氨酸本身的合成并不直接脱羧,但其前体谷氨酸→谷氨酰胺、N-乙酰谷氨酸等多步反应的能量消耗,间接拉动了 TCA 的脱羧通量
• 更不必说菌体生长本身呼吸作用释放的大量 CO₂

一座年产万吨的精氨酸发酵车间,每年排向大气的 CO₂ 是个不小的数字。它们从烟囱冒出,既是一种碳流失(原本可以变成产品的碳就这么散了),也是一种环境负担。

我一直在想:能不能让菌自己把这些 CO₂ 吃回去?

设想的内核:把”废气”变成”原料”

这个设想的核心,是把 L-精氨酸合成途径与一个碳固定模块(carbon fixation module) 耦合,让发酵罐里不再有”废弃的碳”。

整体架构可以分成三条线:

第一条线:L-精氨酸高产途径

这是相对成熟的部分。以 E. coli 为底盘,关键改造点包括:

1. 解除反馈抑制:argA(N-乙酰谷氨酸激酶)是精氨酸合成途径的限速酶,受精氨酸反馈抑制。引入抗反馈突变的 argA^fbr(如 S310R/F329S)解锁通量瓶颈。
2. 强化前体供应:谷氨酸是精氨酸的直接前体。过表达 gltA(柠檬酸合酶)、gdhA(谷氨酸脱氢酶),把 TCA 的碳流更多引向谷氨酸池。
3. 敲除竞争途径:敲除 speA(精氨酸脱羧酶)、adiA(赖氨酸/精氨酸脱羧酶),防止精氨酸被旁路消耗。
4. 辅因子平衡:精氨酸合成消耗 ATP 与 NADPH,通过过表达 ppc(PEP 羧化酶)回补 TCA、引入 zwf 葡萄糖-6-磷酸脱氢酶支路增强 NADPH 供应。

这一套下来,精氨酸的产量、糖酸转化率都会显著提升。但这只是”把碳更多地推向产品”,并没有解决”碳以 CO₂ 形式逃逸”的问题。

第二条线:CO₂ 原位固定模块

这是设想真正有趣的地方。我希望在工程菌中引入一套碳固定途径,把呼吸作用和 TCA 脱羧释放的 CO₂ 重新固定为有机碳,再喂回中心代谢。

候选的碳固定途径有几条,但要在 E. coli 里跑通,需要考虑热力学可行性、ATP/NADPH 消耗、与宿主代谢的兼容性。我比较倾向的方案是:

CBB 循环(Calvin-Benson-Bassham)的简化版——也就是引入核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(RuBisCO)和 PRK(磷酸核酮糖激酶),把 CO₂ 固定为 3-磷酸甘油酸(3-PGA),直接进入糖酵解下半段。

这条路径的优势:

• 只需要两个外源酶(RuBisCO + PRK),基因负载小
• 产物 3-PGA 是中心代谢通用中间体,不需要复杂的衔接
• 已有研究(Gong et al., 2015, J Biotechnol;Zhuang & Li, 2013)证明 E. coli 中表达 RuBisCO + PRK 可实现 CO₂ 固定与生物质提升

挑战也很明确:RuBisCO 的催化效率低、对 O₂ 敏感、需要核酮糖-1,5-二磷酸(RuBP)的再生。但在厌氧/微氧发酵条件下,O₂ 抑制问题可大幅缓解;而 RuBP 再生可以通过宿主自身的 HMP 支路(磷酸戊糖途径)部分供给。

第三条线:能量的”以电代糖”

这是让整个设想真正”经济”的关键。

碳固定是耗能的——RuBisCO 固定一分子 CO₂ 需要 3 分子 ATP + 2 分子 NADPH(经完整 CBB 循环再生 RuBP)。如果这些能量还要靠菌体氧化葡萄糖来供,那就是”拆东墙补西墙”,整体碳利用率未必提升。

所以我设想引入一条甲酸脱氢酶(FDH)路径,让菌体从外界摄取甲酸(可由电化学还原 CO₂ 制备,即”Power-to-X”)作为还原力来源:

HCOOH → CO₂ + NADH  (FDH,可逆方向提供 NADPH)

这样,电能(经由甲酸)成为额外的能量输入,而不再单纯抢夺糖的呼吸能。整个系统从”糖→精氨酸 + CO₂”升级为:

葡萄糖 + 甲酸(电能) → L-精氨酸 + 生物质
        ↑________________|
        CO₂ 内部循环固定

哲学小结:无性之美与有性之美的交汇

写到这里,我想回到这座博客的扉页箴言:生物以无性之美,体现有性之美。

大肠杆菌的二分裂繁殖,是”无性之美”的典型——同一性、精确性、可复制性。我们改造它,本质上是在这套”无性复制”的机器上,嫁接一个本不属于它的”碳循环”想象。

而这个设想里,恰恰藏着一处”有性之美”般的涌现:当我们把产酸与固碳两条路径耦合,系统不再是一个简单的线性工厂,而变成了一个自洽的微循环——菌的”废”成了菌的”粮”,边界被打破,物质在系统内流转。这种自我指涉、闭环涌现的秩序,正是有性之美那种”差异在系统内被重组为新生”的微缩投影。

换句话说:我们用工程的无性精度,去逼近生态的有性韧性。

还差什么(诚实的现状)

必须坦白,这个设想目前还停留在理论推演 + 文献可行性论证阶段。要真正落地,至少还有这些问题待解:

1. 通量平衡:引入碳固定模块会消耗大量 ATP/NADPH,与精氨酸合成争夺还原力。需要用 FBA(通量平衡分析) 建模,定量测算在什么糖酸比下,固碳收益才大于能量代价。
2. RuBisCO 表达负担:RuBisCO 是大分子异源酶,在 E. coli 中可溶性表达与组装是工程难题,可能需要分子伴侣共表达。
3. 副产物积累:固碳回流的 3-PGA 不一定都能顺畅进入精氨酸合成,可能堆积为乳酸、乙酸等副产物,反而抑制发酵。
4. 氧气矛盾:精氨酸高产通常需好氧,RuBisCO 怕 O₂。两阶段发酵(好氧生长 + 微氧固碳)可能是折中,但工艺复杂度上升。
5. 经济性:甲酸作为还原剂的成本、电化学制备甲酸的效率,都决定了这条路线是否真能比”直接排 CO₂ + 多投糖”更划算。

这些问题,正是我下一步想用 COBRA Toolbox 建模 + 实验室小试 逐步回答的。

写在最后

合成生物学的迷人之处,不在于”把一个基因敲掉让产量翻倍”这种单点爆破,而在于重新想象生物系统与物质流的关系。

让一株大肠杆菌学会”吃自己的废气”,听起来像个浪漫的小实验。但它背后是一个更大的命题:在碳中和的时代语境下,微生物细胞工厂能否从”碳排放源”转变为”碳汇”?

这条路很长。但这篇设想,是我的第一步。

—— 琉卜 齐鲁工业大学(山东省科学院)