天工所张学礼毕昌昊等提高钩虫贪铜菌固碳效率高产聚羟基丁酸酯

天工所张学礼、毕昌昊课题组通过基因工程手段提高了钩虫贪铜菌的固碳效率，并实现了高产聚羟基丁酸酯（PHB），具体研究内容如下：研究背景与目标随着碳排放增加，环境压力加剧，开发碳循环技术及提升自然生物固碳能力成为关键。钩虫贪铜菌（Cupriavidus Necator，原称富营养拉尔斯氏菌H16）是一种革兰氏阴性兼性自养细菌，可通过卡尔文循环（CBB）利用CO?和H?进行自养生长，且生长周期短，是优化固碳的理想平台。研究旨在通过基因工程改造其CBB循环和氢利用途径，提升固碳效率及工业产物PHB的产量。关键研究方法与发现操纵子活性验证课题组通过敲除钩虫贪铜菌的操纵子或过表达质粒上的两个CBB操纵子，发现二者均具有活性且对固碳贡献相同，为后续改造提供了靶点。氢酶模块优化通过基因敲除实验确定，可溶性氢酶（SH）和膜结合氢酶（MBH）属于供能氢酶模块，在自养生长中起关键作用。调控MBH和SH的表达后，菌株在72小时培养后的OD600（光密度值，反映菌体浓度）提升至93.4%，显著高于对照菌株。Rubisco酶催化效率提升为增强固碳核心酶Rubisco的活性，课题组采用异源表达聚球藻Rubisco酶，并过表达内源GROES/EL伴侣系统（一种蛋白质质控系统，辅助酶正确折叠）。改造后菌株72小时的OD600比对照高89.2%，表明固碳效率显著提高。研究结果与工业应用价值固碳效率提升通过综合优化氢酶表达和Rubisco酶活性，钩虫贪铜菌的固碳能力显著增强，菌体生长速度加快（OD600提升93.4%）。PHB产量大幅提高PHB是一种可生物降解的工业材料，广泛应用于塑料替代、医疗等领域。改造后菌株的PHB自养产率提高了99.7%，为工业化生产提供了高效、可持续的解决方案。环境与经济双重效益该研究不仅减少了碳排放，还通过微生物合成高价值产物，实现了碳资源的循环利用，具有显著的环境和经济效益。研究意义本研究通过基因工程手段精准调控钩虫贪铜菌的代谢途径，为提升自然生物固碳能力提供了新策略，同时推动了生物基材料（如PHB）的绿色制造，对碳中和与可持续发展具有重要意义。