德国研究团队在《自然·通讯》（Nature Communications）发表成果，展示了一种基于“即插即用”理念的合成酶级联系统，能够利用甲醇和二氧化碳直接合成甘氨酸、丝氨酸、L-天冬氨酸、L-缬氨酸、L-谷氨酸和L-脯氨酸等多种氨基酸。该研究不仅验证了非天然甲基营养微生物代谢路径的体外重构可行性，更通过模块化设计实现了不同碳链长度氨基酸的灵活切换，为未来基于可再生能源的生物制造提供了重要的技术原型。
在全球人口增长与农业环境压力加剧的背景下，传统蛋白质生产模式面临严峻挑战。农业生产占用大量土地并贡献约四分之一温室气体排放，而目前部分氨基酸如甘氨酸、D,L-甲硫氨酸和L-天冬氨酸仍依赖化石资源合成，或受限于植物光合作用效率低下的糖发酵工艺。甲醇作为二氧化碳加氢转化的关键中间体，兼具碳源与能源属性，被视为连接碳捕集利用（CCU）与生物技术的理想平台。本研究旨在开发一种高效、环保的氨基酸合成路径，减少对森林砍伐和化石燃料的依赖。
该系统的核心架构由三个模块组成：甲醇依赖的一碳固定模块、辅酶再生核心模块以及氨基酸合成模块。在C1固定阶段，醇氧化酶将甲醇氧化，并通过甲醛缩合酶生成二羟基丙酮（C3）或乙醇醛（C2）前体。研究团队通过替换不同的甲醛缩合酶变体（如FLSM34或GALS），调控C2与C3前体的比例，从而决定最终合成的氨基酸种类。这种模块化设计允许研究人员像更换插件一样调整酶组合，以定制目标化合物。
在氨基酸合成模块中，系统利用丙酮酸或乙醛酸作为底物，通过特定的代谢路径和最终的胺化步骤生成目标产物。研究团队逆向工程了多条路径，旨在简化酶系复杂性，主要依赖具有广谱特异性的氨基酸脱氢酶完成最后一步胺化。例如，L-丙氨酸脱氢酶（bsAlaDH）在甘氨酸合成中表现优异，而亮氨酸脱氢酶（bsLeuDH）则被用于高效合成L-缬氨酸和L-脯氨酸。针对L-天冬氨酸的合成，团队引入了大肠杆菌来源的磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（ecPEPCK），不仅简化了路径，还实现了ATP的循环利用。
实验该“即插即用”系统在优化后表现出显著的转化效率。在仅使用甲醇作为碳源的情况下，系统能在24小时内将30毫摩尔甲醇转化为4.8毫摩尔甘氨酸和0.8毫摩尔丝氨酸。对于长碳链氨基酸，如L-天冬氨酸和L-缬氨酸，转化率分别达到4.3毫摩尔和3.9毫摩尔。直接使用甲醇合成这些氨基酸的效率甚至高于使用二羟基丙酮前体，这可能是因为甲醇路径降低了中间产物的瞬时浓度，减少了副反应的发生。
C5氨基酸如L-谷氨酸和L-脯氨酸的合成面临前体比例失衡的挑战，导致副产物L-丙氨酸积累，但研究仍成功实现了从甲醇到这些复杂氨基酸的全合成。这一突破证明了无细胞酶级联系统在处理多步代谢路径时的灵活性和潜力。目前，该技术仍处于技术成熟度较低阶段（TRL ~ 4），距离大规模工业化应用尚需克服酶稳定性、成本及规模化生产等瓶颈。
对于中国行业从业者而言，该研究揭示了生物制造在饲料添加剂领域的潜在替代方案。随着全球对可持续蛋白质来源需求的增加，基于甲醇的生物合成路线可能成为传统发酵法和化学合成法的重要补充。采购方应关注此类无细胞催化技术在酶制剂稳定性、辅酶循环效率及反应器设计方面的后续进展，特别是针对高附加值氨基酸如L-谷氨酸和L-脯氨酸的产业化突破。该技术的模块化特性为定制化生产提供了思路，未来可能催生专门针对不同氨基酸合成的标准化酶模块供应链。