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表1
人工甲基同化途径与天然途径的对比
正文中引用本图/表的段落
随着化石资源日趋枯竭、碳循环失衡问题日益加剧，全球能源结构转型正推动生物制造范式向可持续方向加速变革。在此进程中，以CO2、甲醇及甲酸为代表的C1化合物，凭借其可再生属性、碳闭环潜力及储运兼容性优势，已成为重构绿色化工产业链的核心要素［1］。特别是甲醇，兼具液态高能量密度（32 MJ/L）与成熟工业化生产体系（全球年产量超1亿吨），在碳捕获与生物精炼技术耦合中展现出独特的媒介价值，为负碳生物技术提供了关键切入点［2］。这一技术变革的实现，本质上源于合成生物学与系统代谢工程的协同创新：通过深度解析天然C1代谢网络或者创制非天然C1同化模块，研究者成功构建了具有代谢鲁棒性的合成甲基营养菌［3-7］；同时，基于动态调控、辅因子工程及毒性中间体分流策略的整合应用，工程化天然C1利用型微生物，实现CO2/甲醇向高附加值产物（如萜类、有机酸及生物材料）的高效定向转化，标志着C1生物制造正从概念验证向工业应用迈进［8-13］。
当前C1生物转化研究呈现“天然代谢网络工程化”与“人工代谢模块理性设计”协同并进的技术格局。在天然体系优化层面，以毕赤酵母（Komagataella phaffii， K. phaffii）及多形汉逊酵母（Ogataea polymorpha， O. polymorpha）为代表的甲基营养菌，通过对内源木酮糖单磷酸（Xylulose monophosphate，XuMP）途径的代谢流重编程，已在氨基酸、萜类及脂肪醇等高附加值产物合成中展现工业化潜力［11， 13-15］。然而，其基因组规模代谢模型不完善、基因编辑效率低及表型异质性显著等问题，严重制约了精准代谢调控与规模化生产。与之形成互补的是，通过在大肠杆菌（Escherichia coli， E. coli）、酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae， S. cerevisiae）等模式底盘内植入核酮糖单磷酸（Ribulose monophosphate， RuMP）途径、丝氨酸-苏氨酸循环（Serine threonine cycle， STC）、合成甲醇利用（Synthetic methanol assimilation， SMA）途径等C1同化模块，研究者成功构建了可高效同化甲醇的“合成甲基营养菌”［3，7，16，17］。值得关注的是，适应性实验室进化（Adaptive laboratory evolution， ALE）通过施加甲醇选择压力，驱动合成菌株关键酶的协同表达优化，能够显著提高合成甲基营养菌的甲醇转化率并且增强其代谢网络鲁棒性［3，6，7］，为优化C1代谢网络的稳定性提供了新思路。这些系统性突破不仅验证了“设计-构建-测试-学习”（Design-build-test-learn， DBTL）循环在C1代谢工程中的普适性，更推动了生物制造从实验室规模到中试生产的产业化跨越［18］。
甲醇和甲酸可通过CO2加氢制备，是潜在的清洁碳原料，具有生产工艺成熟稳定、价格低廉、易溶于水、细胞毒性低以及易于储存运输等优势，是理想的微生物发酵原材料［35， 36］。甲醛虽然具有强细胞毒性，但它是多条C1代谢必须中间体［37］。在相关酶的催化下，甲醇、甲醛和甲酸可以相互转化，随后通过以下途径实现碳同化（表1）：
此外，基于非传统底盘微生物特殊生理特性的C1这为甲基营养型酿酒酵母细胞工厂的构建提供了基础利用细胞工厂开发正成为合成生物学研究的前沿方向［76-78］。解脂耶氏酵母（Yarrowia lipolytica， Y. lipolytica）凭借卓越的脂质积累能力及过氧化物酶体代谢区室化特性，在甲醇转化合成琥珀酸方面取得了显著的效果［77］。粘质沙雷氏菌（Serratia marcescens，S. marcescens）对萜类和甲醇有很强的耐受性，这使其能够利用甲醇高效地合成萜类化合物［76］。这些案例表明，非传统底盘的代谢多样性（如次级代谢物合成、极端环境适应）为C1生物炼制提供了超越模式菌株的独特解决方案。
表中所涉及的产物依据其化学形式和用途分为糖类及衍生物（甘露醇、蔗糖、葡萄糖、D-阿洛酮糖、赤藓糖醇、N-乙酰葡糖胺、肌醇）、有机酸类（乳酸、3-羟基丙酸、丁酸、琥珀酸、苹果酸、乙醇酸、乙醛酸、衣康酸、5-氨基乙酰丙酸、大麻酚酸）、萜类及挥发油类（法尼烯、柠檬烯、α-红没药烯、乔松素、Zealexin A1）、氨基酸类（异亮氨酸、缬氨酸）、生物活性物质与次生代谢产物（虾青素、番茄红素、虫草素、聚3-羟基丁酸、核黄素、红没药醇、单细胞蛋白）、脂类及脂肪酸衍生物（脂质、脂肪醇、脂肪酸）六大类.其商用价值概述如下：食品/保健品领域（蔗糖、D-阿洛酮糖、乳酸、虾青素、虫草素等）主打健康替代（低糖、抗氧化）和功能性需求；日化/香料工业（柠檬烯、法尼烯、脂肪醇）依赖其天然溶解性与香气；医药/生物材料（甘露醇、N-乙酰葡糖胺、聚乳酸）侧重安全辅料与组织修复；能源与环保（法尼烯生物燃料、可降解塑料）契合可持续发展趋势.高附加值产品如虾青素（$5000-6000/kg）、虫草素（抗癌研究）和稀有人参皂苷驱动生物技术产业创新. ... Production of L-lactic acid from methanol by engineered yeast Pichia pastoris 1 2025 ... 当前C1生物转化研究呈现“天然代谢网络工程化”与“人工代谢模块理性设计”协同并进的技术格局.在天然体系优化层面，以毕赤酵母（Komagataella phaffii， K. phaffii）及多形汉逊酵母（Ogataea polymorpha， O. polymorpha）为代表的甲基营养菌，通过对内源木酮糖单磷酸（Xylulose monophosphate，XuMP）途径的代谢流重编程，已在氨基酸、萜类及脂肪醇等高附加值产物合成中展现工业化潜力［ Engineering high production of fatty alcohols from methanol by constructing coordinated dual biosynthetic pathways 1 2024 ... Progress in biomanufacturing research based on C1
表中所涉及的产物依据其化学形式和用途分为糖类及衍生物（甘露醇、蔗糖、葡萄糖、D-阿洛酮糖、赤藓糖醇、N-乙酰葡糖胺、肌醇）、有机酸类（乳酸、3-羟基丙酸、丁酸、琥珀酸、苹果酸、乙醇酸、乙醛酸、衣康酸、5-氨基乙酰丙酸、大麻酚酸）、萜类及挥发油类（法尼烯、柠檬烯、α-红没药烯、乔松素、Zealexin A1）、氨基酸类（异亮氨酸、缬氨酸）、生物活性物质与次生代谢产物（虾青素、番茄红素、虫草素、聚3-羟基丁酸、核黄素、红没药醇、单细胞蛋白）、脂类及脂肪酸衍生物（脂质、脂肪醇、脂肪酸）六大类.其商用价值概述如下：食品/保健品领域（蔗糖、D-阿洛酮糖、乳酸、虾青素、虫草素等）主打健康替代（低糖、抗氧化）和功能性需求；日化/香料工业（柠檬烯、法尼烯、脂肪醇）依赖其天然溶解性与香气；医药/生物材料（甘露醇、N-乙酰葡糖胺、聚乳酸）侧重安全辅料与组织修复；能源与环保（法尼烯生物燃料、可降解塑料）契合可持续发展趋势.高附加值产品如虾青素（$5000-6000/kg）、虫草素（抗癌研究）和稀有人参皂苷驱动生物技术产业创新. ... Peroxisomal metabolic coupling improves fatty alcohol production from sole methanol in yeast 4 2023 ... 随着化石资源日趋枯竭、碳循环失衡问题日益加剧，全球能源结构转型正推动生物制造范式向可持续方向加速变革.在此进程中，以CO2、甲醇及甲酸为代表的C1化合物，凭借其可再生属性、碳闭环潜力及储运兼容性优势，已成为重构绿色化工产业链的核心要素［
表中所涉及的产物依据其化学形式和用途分为糖类及衍生物（甘露醇、蔗糖、葡萄糖、D-阿洛酮糖、赤藓糖醇、N-乙酰葡糖胺、肌醇）、有机酸类（乳酸、3-羟基丙酸、丁酸、琥珀酸、苹果酸、乙醇酸、乙醛酸、衣康酸、5-氨基乙酰丙酸、大麻酚酸）、萜类及挥发油类（法尼烯、柠檬烯、α-红没药烯、乔松素、Zealexin A1）、氨基酸类（异亮氨酸、缬氨酸）、生物活性物质与次生代谢产物（虾青素、番茄红素、虫草素、聚3-羟基丁酸、核黄素、红没药醇、单细胞蛋白）、脂类及脂肪酸衍生物（脂质、脂肪醇、脂肪酸）六大类.其商用价值概述如下：食品/保健品领域（蔗糖、D-阿洛酮糖、乳酸、虾青素、虫草素等）主打健康替代（低糖、抗氧化）和功能性需求；日化/香料工业（柠檬烯、法尼烯、脂肪醇）依赖其天然溶解性与香气；医药/生物材料（甘露醇、N-乙酰葡糖胺、聚乳酸）侧重安全辅料与组织修复；能源与环保（法尼烯生物燃料、可降解塑料）契合可持续发展趋势.高附加值产品如虾青素（$5000-6000/kg）、虫草素（抗癌研究）和稀有人参皂苷驱动生物技术产业创新. ... Engineered methane biocatalysis: strategies to assimilate methane for chemical production 2 2024 ... 当前C1生物转化研究呈现“天然代谢网络工程化”与“人工代谢模块理性设计”协同并进的技术格局.在天然体系优化层面，以毕赤酵母（Komagataella phaffii， K. phaffii）及多形汉逊酵母（Ogataea polymorpha， O. polymorpha）为代表的甲基营养菌，通过对内源木酮糖单磷酸（Xylulose monophosphate，XuMP）途径的代谢流重编程，已在氨基酸、萜类及脂肪醇等高附加值产物合成中展现工业化潜力［
表中所涉及的产物依据其化学形式和用途分为糖类及衍生物（甘露醇、蔗糖、葡萄糖、D-阿洛酮糖、赤藓糖醇、N-乙酰葡糖胺、肌醇）、有机酸类（乳酸、3-羟基丙酸、丁酸、琥珀酸、苹果酸、乙醇酸、乙醛酸、衣康酸、5-氨基乙酰丙酸、大麻酚酸）、萜类及挥发油类（法尼烯、柠檬烯、α-红没药烯、乔松素、Zealexin A1）、氨基酸类（异亮氨酸、缬氨酸）、生物活性物质与次生代谢产物（虾青素、番茄红素、虫草素、聚3-羟基丁酸、核黄素、红没药醇、单细胞蛋白）、脂类及脂肪酸衍生物（脂质、脂肪醇、脂肪酸）六大类.其商用价值概述如下：食品/保健品领域（蔗糖、D-阿洛酮糖、乳酸、虾青素、虫草素等）主打健康替代（低糖、抗氧化）和功能性需求；日化/香料工业（柠檬烯、法尼烯、脂肪醇）依赖其天然溶解性与香气；医药/生物材料（甘露醇、N-乙酰葡糖胺、聚乳酸）侧重安全辅料与组织修复；能源与环保（法尼烯生物燃料、可降解塑料）契合可持续发展趋势.高附加值产品如虾青素（$5000-6000/kg）、虫草素（抗癌研究）和稀有人参皂苷驱动生物技术产业创新. ... Improving methanol assimilation in Yarrowia lipolytica via systematic metabolic engineering combined with compartmentalization 1 2023 ... 此外，基于非传统底盘微生物特殊生理特性的C1这为甲基营养型酿酒酵母细胞工厂的构建提供了基础利用细胞工厂开发正成为合成生物学研究的前沿方向［ Constructing a methanol-dependent Bacillus subtilis by engineering the methanol metabolism 1 2022 ... 此外，基于非传统底盘微生物特殊生理特性的C1这为甲基营养型酿酒酵母细胞工厂的构建提供了基础利用细胞工厂开发正成为合成生物学研究的前沿方向［ De novo artificial synthesis of hexoses from carbon dioxide 3 2023 ... 除细胞工厂外，无细胞的体外生物转化（ivBT， in vitro biotransformation）在C1化合物利用方面也展现出巨大潜力.中国科学院天津工业生物技术研究所马延和教授团队在该领域处于国际领先地位.继开创性实现CO2合成淀粉之后，该团队进一步建立了化学-酶耦合的CO2至己糖的合成途径：首先对关键酶进行改造，提升了天然酶活性、底物特异性，然后通过构建的C1→C3→C6的功能模块，体外实现了葡萄糖的高效合成，其转化率高于传统植物，产量达到了11.4 g/L［
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