【前沿速遞】天木育種裝備助力中科院天工所&西安交通大學，獲CO?產蛋白菌株R3
導語
如何將溫室氣體CO?轉化為人類急需的蛋白質？這不僅是應對氣候變化的迫切需求，更是保障未來糧食安全的戰略方向。
近日，中國科學院天津工業生物技術研究所朱之光研究員與西安交通大學郭坤教授團隊合作，在綠色化學領域頂刊 《Green Chemistry》 發表重磅成果。研究團隊利用天木生物ARTP誘變育種系統，對氫氧化細菌 Cupriavidus necator H16 進行代謝重編程，成功獲得突變株 R3。該菌株在5 L生物反應器中，干重達到 23.0 g/L，粗蛋白含量超過 60%，CO?固定速率達 17.1 g/天，蛋白產率高達 2.76 g/L/天，是同類研究報道水平的 5.8倍以上。
一、研究背景與核心難點
1. 核心背景：CO?生物轉化與替代蛋白
· 傳統農業生產貢獻了大量CO?排放，而氫氧細菌（HOB）可利用H?還原CO?合成單細胞蛋白（SCP），實現碳負排放。
· Cupriavidus necator是研究最深入的HOB模式菌，其粗蛋白含量可達50-80%，且已被證實可作為飼料蛋白來源。
2. 核心難點
· 菌株性能瓶頸：野生型H16的自養生長速率較慢，不能滿足工業化需求。
· 非轉基因改造需求：基因編輯（GMO）菌株面臨嚴格的監管障礙，而隨機誘變獲得的非GMO菌株更易獲批。
· 高效篩選難題：傳統誘變方法（UV、NTG）突變率低、操作繁瑣，而自養條件下的高通量篩選更是缺乏成熟方案。
二、研究內容：從誘變到5 L發酵的完整鏈條
1. 系統比較三種誘變方法，確定ARTP為最佳方案
研究團隊比較了UV誘變、NTG化學誘變和ARTP誘變三種方法。結果顯示，ARTP誘變在90秒處理條件下，陽性突變率高達70%，獲得的突變株自養生長能力比野生型提高1.85倍。
2. 兩階段篩選，獲得突變株R3
研究設計了“生長+蛋白"雙指標篩選流程，最終獲得R3。該菌株72小時OD???達到野生型的2.3倍，粗蛋白含量達67.5%，且遺傳穩定性良好。
圖1：ARTP誘變流程、生長曲線、蛋白含量及遺傳穩定性數據
3. 多組學解析：發現關鍵同義突變
通過全基因組測序，團隊發現R3中的SNP突變——lysS基因上的同義突變（C→T）。敲除驗證實驗表明，在R3中敲除lysS后細胞生長下降35%，證實該同義突變對菌株高效生長至關重要。
圖2：lysS敲除后的生長變化
4. 條件優化與5 L規模放大
在5 L生物反應器中，R3表現優異：
· 第3天OD???達77，是搖瓶培養的6.3倍；
· 5天干重23.0 ± 0.8 g/L，粗蛋白含量>60%；
· CO?固定速率17.1 g/天，蛋白產率2.76 g/L/天。
圖3：5 L發酵過程數據
三、創新點與亮點
1. 非GMO策略，監管友好：ARTP誘變獲得非轉基因菌株，降低產業化監管障礙。
2. 蛋白產率：2.76 g/L/天的蛋白產率，是已報道同類研究的5.8倍。
3. 發現同義突變的決定性作用：揭示了lysS同義突變通過影響翻譯效率促進生長的全新機制。
4. 碳負排放潛力：生命周期評估顯示凈全球變暖潛勢為 -1.84 kg CO?-eq/kg SCP。
四、天木生物設備的突出貢獻
本研究的成功離不開天木生物核心設備的支撐，其貢獻體現在以下方面：
1. 核心誘變設備：文中明確使用天木生物ARTP-IIS誘變育種系統（功率120 W，氦氣流速10 SLM），這是獲得高性能突變株R3的起點和基礎。
2. 技術路線確立：通過系統比較UV、NTG和ARTP三種方法，證實ARTP在C. necator中具有最高的陽性突變率和誘變效果，為同類研究提供了方法學參考。
3. 產業化支撐：ARTP技術路線符合非GMO要求，為后續產業化掃清了監管障礙，天木生物設備在其中扮演了不可替代的角色。
五、最終結論與展望
本研究成功借助天木生物ARTP誘變育種系統獲得高性能C. necator R3突變株，實現了高效CO?固定與單細胞蛋白生產。研究估算，一個50 m3發酵罐運行5天可固定約1.9噸CO?，生產約1噸SCP，節省約半公頃耕地及大量農藥化肥。該策略為碳負排放替代蛋白的工業化生產開辟了新路徑。
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