一碳气体主要包括CO、CO2 和CH4 等,这些气体来源于陆地生物活动、工业废气以及气化合成气等,其中CO2与CH4是温室气体,对全球气候变化有着重要的影响.利用微生物进行一碳气体生物转化既可以解决废气排放的问题,又能生产燃料及多种化学品.近年来,运用CRISPR/Cas9 等基因编辑技术对一碳气体利用微生物进行改造,是提高它们的产物得率、增加产物类型的重要途径.本文主要围绕甲烷营养菌、自养乙酸菌、一氧化碳营养菌等一碳气体利用微生物,综述了其生物学特性、好氧和厌氧代谢途径、代谢产物,以及常用的基因编辑技术(利用同源重组的基因中断技术、二类内含子 ClosTron 法、CRISPR/Cas 基因编辑及以噬菌体重组酶介导的DNA大片段引入等)在它们中的应用,为后续相关研究提供参考.

甲醇和甲烷等一碳原料来源广泛,价格低廉,是生物制造的理想原料.甲醇脱氢酶(Methanol dehydrogenase,MDH)催化甲醇生成甲醛是一碳代谢的关键反应.目前已从天然甲基营养菌中发现了多种利用不同辅因子,具有不同酶学性质的MDH.其中,烟酰胺腺嘌呤双核苷酸(NAD)依赖型MDH被广泛应用于构建人工甲基营养菌.但是,NAD依赖型MDH的甲醇氧化活性较低,对甲醇的亲和力较差,导致甲醇氧化成为人工甲基营养菌代谢甲醇的限速步骤.为了提高甲醇氧化速率,进而提高人工甲基营养菌的甲醇利用效率,近年来大量研究集中于MDH的挖掘与改造研究.文中系统综述了不同类型MDH的发现、表征、改造以及在人工甲基营养菌中的应用进展,详细阐述了MDH的定向进化和多酶复合体的构建,并展望了通过细胞生长偶联的蛋白质进化和蛋白质理性设计获得高活性MDH的潜在策略.

酒糟是良好的沼气发酵原料,但其发酵中间产物极易累积导致体系酸化.采用批次试验研究中温条件下酱酒丢糟沼气发酵特性.以总固体(TS)含率分别为4.3％和7.8％的酱香白酒丢糟为发酵原料,在发酵30 d和50 d时,甲烷产量分别为287 mL/g TS和360 mL/g TS;TS去除率分别为20.8％和27.4％.酱酒糟发酵过程中主要的中间代谢产物有乙酸、丙酸和丁酸等挥发性有机酸;此外,还检测出芳香族化合物有苯酚、对甲酚、苯甲酸和苯丙酸;其中丙酸在酒糟降解过程中明显累积(2894-4495 mg/L),推测丙酸累积为影响反应器稳定运行的重要因素.利用高通量测序技术对两组中温厌氧酒糟驯化培养系JO和JN进行解析.细菌结果表明,拟杆菌门(Bacteroidetes)、厚壁菌门(Firmicutes)、互养菌门(Synergistetes)和阴沟单胞菌门"Cloacimonetes"(WWE1)为主要的优势菌群.WWE1中未培养W5属和W27属在酒糟厌氧消化系统中占比为13.8％-30.67％.古菌解析检测到乙酸营养型产甲烷菌Methanosarcina mazei及氢营养型产甲烷菌Methanofollis ethanolicus近缘微生物为优势古菌.本研究表明丙酸累积是影响酱酒丢糟沼气发酵稳定性的重要因素,WWE1中未培养微生物在酒糟厌氧发酵体系中发挥重要作用.

[背景]甲基营养菌(Methylobacterium)是一类能够以单碳或非C-C键低碳化合物(如甲烷、甲醇、甲醛等)为底物生长,并可生产多种代谢产物如氨基酸、工业酶和辅助因子、多羟基烷酸酯(polyhydroxyalkanoates,PHA)、多糖和类胡萝卜素等的革兰氏阴性细菌.[目的]通过突变甲基营养菌MB200的mutS基因,在胁迫条件下定向诱导,以获得可以耐受高浓度甲醇和甲醛的生产菌株.[方法]利用三亲本结合构建mutS基因缺失的高突变菌株MB200sTB,逐步提升培养液中甲醇、甲醛的浓度进行定向诱导突变,对获得的高耐受性突变株进行回补,分析菌株的生长情况.[结果]构建了 mutS基因的缺失突变体MB200sTB,并且得到了高耐受甲醇和甲醛的菌株MB200sHBc和MB200sHBq.MB200sHBc与野生株MB200相比其甲醇耐受性得到了极显著的提高,甲醇耐受浓度从8 g/L提升到44 g/L,但生长量不受影响.MB200sHBq在以甲醛为0.45 g/L的碳源条件下,生长量相较于野生型MB200提高了 1.69倍.[结论]通过定向诱导缺失mutS基因的突变体,可获得具有生产应用潜力的高耐甲醇菌株.