摘要：在细胞代谢中，乙酰辅酶 A（Acetyl-CoA）往往占据着十分关键的地位。作为二氧化碳固定途径的产物，乙酰辅酶 A 对细胞生物质的形成起着决定性作用，其后续转化效率直接关乎整个细胞代谢的效能。

在细胞代谢中，乙酰辅酶 A（Acetyl-CoA）往往占据着十分关键的地位。作为二氧化碳固定途径的产物，乙酰辅酶 A 对细胞生物质的形成起着决定性作用，其后续转化效率直接关乎整个细胞代谢的效能。

要从乙酰辅酶 A 中生成其他产品和化学物质，通常先将其转化为具有三个碳原子的细胞中间体，例如丙酮酸。然而，在乙酰辅酶 A 转化为丙酮酸的传统代谢路径中，常常会以释放二氧化碳为代价达成转化，碳折损严重，利用效率降低。其他无氧或氧敏感途径虽然能减少二氧化碳释放，反应条件要求十分严苛，往往需十多种酶接力参与，很难广泛应用于大规模生产。

为了解决这一问题，来自马克斯·普朗克研究所的 Tobias Erb 研究团队成功开发一种全新的代谢路径——“lactyl-CoA mutase”（简称 Lcm，乳酰辅酶 A 变位酶），作为乙酰辅酶 A 和丙酮酸之间的“桥梁”。

Lcm 模块能够高效地将乙酰辅酶 A 转化为乳酰辅酶 A（lactyl-CoA），最后生成丙酮酸，整个转化流程仅需 6 步反应，相较于传统路径，极大地简化了复杂的代谢步骤。这一研究对于提高“细胞工厂”中乙酰-CoA 的同化效率、增加生物质产量以及固定二氧化碳具有重要意义。该成果以题为“New-to-nature CO2-dependent acetyl-CoA assimilation enabled by an engineered B12-dependent acyl-CoA mutase”发表于 Nature Communications 期刊。

图｜Lcm 模块

在设计 Lcm 模块这一创新性的代谢路径时，研究团队设想利用辅酶 B12 依赖的变位酶，将乙酰辅酶 A 经 3-羟基丙酰辅酶 A（3-HP-CoA）转化为乳酰辅酶 A，进而生成丙酮酸。然而，研究人员面临的一个挑战是需要找到能够催化 3-HP-CoA 到乳酸酰辅酶 A 的核心酶——乳酰辅酶 A 变位酶，这种酶在自然界尚无先例，其活性仅存于理论假设。

研究人员通过数据库层层筛选，找到了一个基于其结构似乎适合催化 3-羟基丙酰辅酶 A 向乳酸酰辅酶 A 转化的候选酶——一种来自中温菌株 B.massiliosenegalensis 的酶，其在乳酰辅酶 A 的转化中表现出了最高活性。

识别出潜在的酶候选物后，研究者通过体外实验验证了该酶是否具有预期活性。然而实验结果显示，该酶虽然能够作用于 3-HP-CoA，但是其催化效率非常低，难以满足高效代谢需求。

为了攻克活性不足问题，团队从自然进化机制汲取了灵感。来自马克斯·普朗克研究所的研究人员 Helena Schulz-Mirbach 博士指出，自然界中生物借由突变与选择历经漫长演化优化自身性状，团队遂在实验室模拟并加速了此过程，设计并构建出了一种基于生长偶联筛选原理的菌株体系，这包括对 Lcm 酶进行随机突变，然后通过筛选来选择那些表现出更高催化效率的变体。

图｜经筛选优化后，Lcm 变体活性大幅提升

在此基础上，该菌株在实验室中经历了加速进化，这一过程称为“适应性实验室进化 (ALE)”。研究人员运用多种诱变技术，如化学诱变、紫外线诱变等，精准引入丰富多样的基因突变组合。随后依据酶活性、细胞生长速率、产物生成量等关键指标，严格筛选出性能更好的的突变菌株。最终经多轮进化筛选循环往复，研究人员成功地筛选出了几种酶变体。

实验数据表明，这些优化后的变体，催化效率相较于野生型酶实现了高达 10 倍的提升。而且，在严格的体外测试中，这种改良后的 Lcm 变体能够其他协同酶配合运转，从而在 Lcm 模块中稳定发挥作用，高效驱动乙酰辅酶 A 向丙酮酸的转化。

这意味着在生物化学反应中，单位时间内能够处理更多底物、生成更多产物，极大加速细胞内物质合成与转化进程，显著提升生物系统代谢通量，突破酶催化效率极限，为众多依赖酶促反应的生物技术与产业流程注入强大动力。

不过研究人员表示，尽管目前已经取得了显著的进展，他们的酶仍然需要改进。与自然界中的其他酶相比，Lcm 的催化效率仍然相当缓慢。未来研究的主要目标之一是借助蛋白质工程技术对现有酶进行深度改造，将其催化效率再次提升，并拓展其应用场景。

例如在生物制造领域，Lcm 可为生物塑料前体 3-羟基丙酸（3-HP）或下游生物产品（如 β-丙氨酸和丙二酸）的微生物生产提供了一种替代的代谢途径；在生物燃料的生产中，Lcm 模块也有望成为关键技术支撑，例如通过优化微生物代谢途径引入 Lcm，可高效转化乙酰辅酶 A 为丙酮酸等前体物质，增加碳流向目标燃料分子的通量；在生物乙醇生产中，精准调控代谢流，利用 Lcm 介导的途径强化碳源利用与产物合成，提升乙醇产率及品质，降低生产成本，助力能源结构向绿色低碳转型。

总而言之，这项研究为未来的生物技术应用提供了新的思路。通过结合理论设计、实验室进化和结构生物学，科学家们正在开辟一条新的道路，以更高效、更环保的方式利用二氧化碳，为实现可持续生物经济做出贡献。

参考文献：

1、https://www.nature.com/articles/s41467-024-53762-9

2、https://phys.org/news/2024-12-scientists-enzyme-nature-efficient-synthetic.html

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来源：生辉SciPhi