巴斯德毕赤酵母广泛用于工业酶和药物的生产。像大多数生物技术生产宿主一样，巴斯德毕赤酵母是异养的，生长在有机原料上，这些原料在食品和动物饲料的生产中具有竞争性用途。如果将二氧化碳用作碳原料，生物技术制造业将变得更具可持续性，因为它不会消耗有机原料，并且会消耗大气中的二氧化碳。
2019年12月16日，奥地利维也纳自然资源与生命科学大学Diethard Mattanovich团队在Nature Biotechnology 在线发表题为“The industrial yeast Pichia pastoris is converted from a heterotroph into an autotroph capable of growth on CO2”的研究论文，该研究通过添加8个异源基因和缺失3个天然基因，研究人员将巴斯德毕赤酵母的过氧化物酶体甲醇同化途径改造成CO2固定途径，将异养型的巴斯德毕赤酵母改变为自养型的巴斯德毕赤酵母， 代谢的重新设计导致二氧化碳作为唯一碳源。 所得的酵母菌株可以用于从CO2生产大量化学物质和酶的系统的基础，并且可以减轻大气中的CO2。总而言之，将异养菌转化为合成自养菌是可行的。
工业上的蛋白质和化学药品的生物技术生产依赖于异养宿主细胞，该宿主细胞在诸如葡萄糖，蔗糖或甘油等原料中生长，这些原料在食品和动物饲料的生产中具有竞争性用途。如果将二氧化碳用作碳原料，生物技术制造业将变得更具可持续性，因为它不会消耗有机原料，并且会消耗大气中的二氧化碳。CO2被自养生物（例如植物和藻类）转化为生物质。将CO 2引导到工业微生物的中央碳代谢中可能会产生自养或混养生物，具有提高碳效率的潜力。
Calvin–Benson–Bassham （CBB）循环是六个自然发生的CO2固定途径之一，其中包括核糖双磷酸（RuBP）羧化酶加氧酶（RuBisCO），这是生物圈中最丰富的酶并固定约90％的无机碳转化为生物质。
巴斯德毕赤酵母的改造图谱
以前，代谢工程师一直在努力为异养模式生物大肠杆菌，勒索杆菌和酿酒酵母配备CBB循环基因。当在阿拉伯糖上生长时，在大肠杆菌中表达编码RuBisCO和磷酸核糖激酶（PRK）的基因导致CO2释放减少。利用丙酮酸作为异源CBB循环的能源，通过模块化的碳代谢实现了大肠杆菌的“半自养”生长。半自养是指被吸收的碳只有一部分来自二氧化碳，其余来自丙酮酸。最近，甲基芽胞杆菌AM1的同化途径被阻断，RuBisCO和PRK被过表达，从而产生了一种菌株，该菌株可以利用甲醇作为能源将CO2掺入生物质中。但是，这种工程化的甲基杆菌无法作为唯一碳源在CO2上连续生长。
具体改造情况
巴斯德毕赤酵母（P. pastoris）被广泛用于生产生物制药和酶。这种工业酵母具有甲基营养型生活方式，并使用C1化合物甲醇作为唯一能源和碳源。甲醇被氧化成甲醛，然后进入异化或同化代谢分支。在同化分支中，甲醛被转化为生物质所需的磷酸糖，而在非同化分支中，甲醛被氧化为CO2，产生NADH。异化分支的步骤在过氧化物酶体和细胞质中进行，但是同化分支完全位于过氧化物酶体中。
在甲醇上生长期间，过氧化物酶体在细胞中高度丰富，并且甲醇利用酶高表达，例如，醇氧化酶1（Aox1）。包括CRISPR–Cas9方法在内的一整套分子生物学工具可用于巴斯德毕赤酵母，使整个代谢途径得以整合，而无需选择标记。该研究报告了从新工程改造到毕赤酵母的CBB循环，并分析了使用CO2作为唯一碳源的工程菌株的生长能力。
以低细胞密度接种并在CO2存在下生长的CBBp + RuBisCO和CBBpΔRuBisCO菌株的生物反应器培养
具体而言，该研究通过添加8个异源基因和3个天然基因的缺失，研究人员将巴斯德毕赤酵母的过氧化物酶体甲醇同化途径改造成类似于Calvin–Benson–Bassham循环的CO2固定途径。以CO2作为唯一碳源，可以在0.008 h-1的µmax处连续产生应变。通过适应性实验室进化，生长速率进一步提高至0.018 h-1。这种工程化的巴斯德毕赤酵母菌株可以通过隔离温室气体CO2并避免食用有机原料以及在食品生产中的其他用途来提高可持续性。
总而言之，该研究已经证明了将异养菌转化为合成自养菌是可行的。代谢的重新设计导致二氧化碳作为唯一碳源。 所得的酵母菌株可以用于从CO2生产大量化学物质和酶的系统的基础，并且可以减轻大气中的CO2。
参考消息：
https://www.nature.com/articles/s41587-019-0363-0
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