Advances in the biological utilization of one-carbon compounds Synthetic Biology Journal    DOI: 10.12211/2096-8280.2025-077

Fig. 1 Natural metabolic pathways of one-carbon compounds
(Dotted lines indicate multi-step reactions. Ser, serine; Gly, glycine; PEP, phosphoenolpyruvate; DC, dicarboxylate; 4-HB, 4-hydroxybutanoate; 3-HP, 3-hydroxypropanoate; H6P, hexulose 6-phosphate; Xu5P, xylulose 5-phosphate; DHA, dihydroxyacetone; RuBP, ribulose-1,5-bisphosphate; PGA, 3-phosphoglycerate; α-KG, α-ketoglutarate; SHMT, serine hydroxymethyltransferase; Ppc, PEP carboxylase; PFR, pyruvate-ferredoxin oxidoreductase; Pcc, propionyl-CoA carboxylase; ACC, acetyl-CoA carboxylase; HPS, hexulose-6-phosphate synthase; DAS, dihydroxyacetone synthase; RuBisCo, ribulose-1, 5-bisphosphate carboxylase; IDH, isocitrate dehydrogenase; KOR, α-ketoglutarate synthase; ACL, ATP-depentent citrate lyase.)

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C1的生物利用途径分为天然途径与人工途径两类。天然途径以自养微生物及甲基营养菌经长期进化形成的C1同化途径为主体，包括Calvin-Benson-Bassham（CBB）循环、RuMP途径、XuMP途径及丝氨酸循环（Serine Cycle， SC）等（（图1）。相比之下，基于酶元件挖掘与途径重设计原则创制的人工合成途径具有突破自然进化限制的潜力，如STC、SMA途径等（图2）。下文将对这些途径进行详细介绍。

CBB循环是研究最深入的固碳途径（图1），因其碳同化效率与代谢网络兼容性优势，在光驱生物制造和合成自养体系构建中展现出独特价值［24-26］。该途径的核心酶是核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶（RubisCo），催化CO₂和核酮糖-1，5-二磷酸（ribulose-1，5-bisphosphate， RuBP）结合生成2分子3-磷酸甘油酸（3-phosphoglycerate， 3-PGA）。代谢流分配方面，约83.3%的3-PGA通过糖异生重排再生RuBP以维持循环稳态，剩余16.7%进入中心碳代谢，为细胞的生长繁殖提供碳骨架。利用此途径固定1分子CO₂，需消耗3分子ATP和2分子NADPH［27］。

rTCA循环是绿色硫细菌等化能自养微生物的核心固碳途径（图1），其通过逆向运行标准TCA循环的部分反应实现CO₂的还原性同化［28］。此途径的有两个关键不可逆步骤：铁氧还蛋白依赖的α-酮戊二酸合酶（KOR）催化琥珀酰-CoA与CO₂缩合生成α-酮戊二酸和ATP依赖型柠檬酸裂解酶（ACL）催化柠檬酸裂解为草酰乙酸与乙酰CoA［28， 29］。

WL途径以Harland G. Wood与Lars G. Ljungdahl两位科学家命名（图1），是现存最古老的生物固碳途径，广泛分布于乙酸生成菌等严格厌氧自养微生物中。该途径通过双支路偶联实现CO₂的完全还原：1）甲基支路：1分子CO₂在甲酸脱氢酶催化下形成甲酸，然后与四氢叶酸（THF）结合并通过一系列氧化还原反应生成甲基四氢叶酸（CH₃-THF），最终通过铁硫簇依赖的甲基转移酶形成甲基钴胺素（CH₃-CoFeSP）；2）羰基支路：1分子CO₂在羰基氢酶/乙酰CoA合成酶复合体的催化下形成羰基中间体，后与甲基支路产生的CH₃-CoFeS结合形成乙酰CoA。此途径将CO₂直接还原为乙酰CoA，因此又将其称为还原性乙酰CoA途径［30］。与其它途径相比，Wood-Ljungdahl途径所需的能量极低（仅需1 ATP/mol 乙酰CoA），在生物燃料的合成中得到了广泛的应用。

3-HP循环是光能自养型绿弯菌特有的固碳途径（图1），其以特征中间产物3-HP而命名。此途径为偶联的双循环反应，涉及19步反应，需要13个酶催化完成。此途径的关键固碳反应由乙酰CoA羧化酶和丙酰CoA（propionyl-CoA）羧化酶催化，每轮循环可固定3分子CO₂生成1分子丙酮酸，为细胞生物合成提供核心碳骨架［31］。此途径具有高能量效率（1ATP/CO₂）和高CO₂亲和力的特点，这种代谢特性使其成为开发体外固碳系统的理想模块［22］。然而，其复杂的反应拓扑结构、嗜热酶的最适温度及中间代谢物积累毒性，导致异源重构效率低下。目前，合成生物学研究主要聚焦于关键模块的局部利用，例如3-HP的生物合成［32］。

3-HP/4-HB循环是嗜热古菌特有的自养固碳途径（图1），以其标志性中间产物3-HP和4-HB而得名，通过线性单循环机制实现CO₂的高效还原。途径与3-HP循环具有部分相同反应，例如，这两条途径的关键固碳反应都由乙酰CoA羧化酶和丙酰CoA羧化酶催化。通过16步酶促反应，每轮循环可固定2分子CO₂生成1分子乙酰CoA，为古菌的生长发育提供核心驱动力。与3-HP循环类似，此途径能量需求低（1ATP/CO₂）且具有高CO₂亲和力，可被模块化用于体外构建体外固碳途径［33］，但是由于途径复杂、嗜热、厌氧等特点，难于在异源微生物胞内重构。

DC/4-HB循环是极端嗜热嗜酸菌特有的高效的固碳途径（图1），通过7步与3-HP/4-HB循环共享的反应（琥珀酰CoA→乙酰乙酰CoA→乙酰CoA）及独特的羧化步骤实现碳同化：丙酮酸-铁氧还原蛋白氧化还原酶催化的乙酰CoA和CO₂的羧化反应以及磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）羧化酶催化的PEP和CO₂的羧化反应［34］。此途径条件更为苛刻，需要高温、强酸、厌氧环境，因此，此途径在合成生物学的应用案例较少。

核酮糖单磷酸（RuMP）途径（图1）：以核酮糖-5-磷酸（Ru5P）为缩合受体，经己酮糖-6-磷酸合酶（Hps）催化甲醛与Ru5P生成己酮糖-6-磷酸（H6P），经异构化生成果糖-6-磷酸（F6P）后，通过转酮醇酶/转醛醇酶介导的碳重排再生Ru5P，每同化3分子甲醇净输出1分子甘油醛-3-磷酸（GAP）［4］。

木酮糖单磷酸（XuMP）途径（图1）：毕赤酵母等甲基营养型酵母内源的甲醇同化途径，其特征中间体为木酮糖-5-磷酸（xylulose 5-phosphate， Xu5P），关键酶为二羟丙酮合酶（Das），催化甲醛和Xu5P缩合裂解生成GAP和二羟丙酮（dihydroxyacetone， DHA），然后，二羟丙酮被磷酸化形成磷酸二羟丙酮，磷酸二羟丙酮和GAP通过糖异生作用和后续一系列的碳架重排反应重新生成Xu5P。此途径同样可以将三分子甲醇同化生成一份子GAP［38］。

丝氨酸循环（SC）（图1）： 甲酸经四氢叶酸（THF）介导生成甲烯-THF（Methylene-THF），在丝氨酸羟甲基转移酶（SHMT）催化下与甘氨酸缩合生成丝氨酸，继而转化为磷酸烯醇式丙酮酸PEP并同化CO₂形成草酰乙酸，最终再生甘氨酸并输出乙酰CoA。利用此途径同化1分子C1化合物和1分子CO₂能够产生1分子乙酰CoA。

还原性甘氨酸途径（rGlyP）（图1）：甲酸与THF的结合后经一系列氧化还原反应生成的衍生产物甲烯-THF通过甘氨酸裂解系统（Glycine Cleavage System， GCS）固定CO₂合成甘氨酸并且重新生成一分子THF，甘氨酸经丝氨酸途径生成乙酰CoA，为细胞生长提供碳架和能量来源［39， 40］。

甲烷同化途径存在于嗜甲烷菌中，此途径的关键酶是甲烷单加氧酶，催化甲烷氧化生成甲醇的反应，甲醇在醇脱氢酶的催化下形成甲醛，后者经由SC或者RuMP途径被细胞利用［15］（图1）。

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. ...