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2026年9月26日，江南大学刘立明教授团队在《Nature Communications》发表了题为《Reprogramming energy system for growth and bioproduction from CO2 and methanol in Escherichia coli》的研究论文。微生物固定CO2需要投入大量能量，天然ATP和NADH系统受到严格调控，并且容易被内源代谢消耗，限制了大肠杆菌对CO2的高效利用。该研究在大肠杆菌中设计正交能量系统，以甲醇为电子供体构建NUD/NUDH循环，重编程CO2-formate-acetyl-CoA-pyruvate-malate（CAM*）途径关键酶，结合电子传递链和糖异生网络改造，实现CO2与甲醇驱动生长和多种化学品合成。
研究团队选择UTP和NMN作为正交能量分子前体，经过定向进化获得HsNmnat四突变体，其UTP催化效率明显提高，并且对ATP的偏好显著降低。他们进一步改造甲醇脱氢酶，获得CmMDH变体，使NUD偏好提升到6.11×10²，同时降低了NAD偏好。通过融合HsNmnat和CmMDH，敲除pyrG、pncC、ushA、pnuC和purR，过表达SUMPK、DaNDK、RsNAMPT和FfNadE，菌株K05的NUDH浓度达到7.3±0.4 mM，NUDH/NUD+比值达到56，远高于天然NADH水平。
CAM途径被拆成CO2激活、C2功能化和迭代羧化三个模块，研究团队用计算机辅助IESE框架改造TsFDH、BmFADH和PcME，获得TsFDH、BmFADH和PcME，使这些酶从NADH依赖转向NUDH依赖。在K07中组装CAM*后，全细胞催化产生5.28±0.58 mM L-苹果酸，并积累7.22±0.79 mM甲酸，他们用GBD-SH3-PDZ支架共定位三个甲酸代谢酶，将甲酸降到2.16±0.14 mM，再引入乳酸乳球菌PFL和替换ICL，最终使L-苹果酸达到24.5±1.9 mM。
为支撑生长，研究团队在K11中补充NAD依赖的CmMDH，融合PpFDM降低甲醛毒性，过表达ubi和VHb增强电子传递，使K15的OD600达到0.41±0.03。他们随后增强mdh、pck和fbp，敲除ppc、pykA和pykF，引入抗反馈CRP2*，构建K18，使PEP、GAP、F6P和G6P恢复到毫摩尔水平，OD600达到3.23±0.36，倍增时间8.6±0.3 h。补料分批培养中K18最大OD600为37.5±5.8，并且从乙酰辅酶A、丙酮酸和苹果酸节点生产甲羟戊酸4.05±0.21 g/L、乳酸4.12±0.26 g/L、2,3-丁二醇3.15±0.18 g/L和琥珀酸3.35±0.27 g/L，13C示踪显示CO2对甲羟戊酸、乳酸、2,3-丁二醇和琥珀酸的碳贡献分别为55.7±1.3%、39.4±2.4%、51.8±2.1%和54.5±0.5%。
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