近日，生物与制药工程学院章文明教授团队在Science子刊《科学·进展》（Science Advances）上发表了题为“Evolutionary engineering of Saccharomyces cerevisiae: Crafting a synthetic methylotroph via self-reprogramming”的研究论文，我院博士后郭峰为第一作者，章文明教授、信丰学教授为共同通讯作者，天津大学吴毅教授、华东师范大学大学张中海教授和上海交通大学刘晨光教授为合作作者。

开发基于生物制造的一碳原料资源化利用技术，是实现碳中和与可持续发展的重要途径。甲醇（Methanol）因其来源丰富、常温下为液态、含有较高能量等特性，成为替代传统糖类底物的优良碳源。尽管已有部分研究实现了在非甲基营养型微生物中的甲醇利用，将非甲基营养菌转变为能够以甲醇为唯一碳源生长的合成甲基营养菌依然面临复杂的代谢工程挑战。

经典的代谢工程通常依赖理性设计，通过精确的基因改造来引入或优化代谢路径。然而，在应对复杂的代谢网络调控时，这一策略往往难以兼顾提高酶活性、回收中间代谢物、平衡辅因子与能量、调节基因表达以及中间代谢物解毒等诸多要求，而这些均是一碳化合物同化过程中公认的瓶颈。本项研究采用了合成染色体重排（SCRaMbLE）技术，结合实验室适应性进化（ALE）技术，通过自然选择过程，成功构建了能够以甲醇作为唯一碳源生长的酿酒酵母菌株，其倍增时间为58.18小时。对于进化菌株的多组学分析表明其通过一条此前未曾报道的Adh2-Sfa1-rGly（ASrG）途径，实现甲醇、甲酸与二氧化碳的共利用。对ASrG途径的进一步分析表明该途径通过甲醇的连续氧化提供能量。为此，研究团队引入了无机光催化材料C3N4量子点，为菌株的代谢过程提供额外的能量支持，成功将菌株的倍增时间缩短了14.5%至21.6%。此外，研究人员还发现丝氨酸在ASrG途径中起着关键作用，通过外源添加丝氨酸或调控相关基因的表达，可以进一步促进甲醇的同化。

该研究揭示了酿酒酵母能够通过一条杂合的ASrG途径实现一碳原料的同化，展示了其在一碳资源生物转化领域的巨大潜力；同时也证明了酿酒酵母卓越的代谢适应性和自我进化能力。这一发现不仅为合成生物学领域提供了新的理论依据和技术工具，也为实现碳中和和可持续生物化工生产奠定了坚实基础。

该研究工作得到了国家重点研发计划（2022YFC2105900）、国家自然科学基金（22078151、22378199、22178169）、江苏省杰出青年基金（BK20220052）、江苏省合成生物基础研究中心和江苏省先进生物制造协同创新中心等项目的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adq3484

图文：章文明；单位：生工学院；审核：庄伟