温室效应主要由CO₂排放过多引起，对全球气候和生态环境造成了深远影响。产乙酸菌（如乙醇梭菌，Clostridium autoethanogenum）能够通过固定CO₂，在自养条件下生产乙酸、乙醇、丁醇等高价值化学品，具有实现减排和资源循环利用的双重潜力。目前，该菌已实现规模化生产，年乙醇产量超过9万吨。尽管该菌在工业上已有应用，但其遗传和代谢工程工具仍不完善，尤其是缺乏适用于严格厌氧环境的荧光蛋白报告系统（FPAR）和启动子库，限制了其代谢工程的发展。

针对传统荧光蛋白依赖氧气的局限性，近日，中国科学院天津工业生物技术研究所李德茂研究员团队与哈尔滨工业大学陈国福团队成功开发出一种专用于乙醇梭菌的荧光蛋白厌氧报告系统（FPAR），可在无氧条件下自主发光。无需添加外源荧光配体，显著简化了实验流程并避免了潜在细胞毒性。利用该蛋白构建的FPAR系统首次实现了自产乙醇梭菌在合成气发酵过程中基因表达的实时可视化监测。实验表明，该系统对菌体生长无显著影响，且在严格厌氧和工业发酵条件下均保持稳定性能。基于FPAR系统，研究人员对天然启动子进行工程改造，成功构建了包含20个强度梯度的组成型启动子库（表达强度差异达7.5倍）和诱导型启动子库（诱导后强度提升10倍）。该库为精准调控代谢通路提供了“调控开关”，使科研人员能够像调节“音量旋钮”一样精细控制目标基因表达水平。

这项技术填补了自产乙醇梭菌合成生物学工具的空缺。通过荧光报告系统，能够实时优化菌株的代谢网络；而启动子库则为构建高效‘细胞工厂’提供了标准化元件，将显著提升工业废气转化效率和化学品产率，推动合成气发酵技术的产业化升级。

这项工作得到了中国科学院战略性先导科技专项、天津市合成生物技术创新能力提升行动、国家重点研发计划青年科学家项目等资助，相关成果发表在《国际生物大分子》上，并申请专利1项。中国科学院天津工业生物技术研究所与哈尔滨工业大学联合培养博士生翟艺达为论文第一作者，哈尔滨工业大学陈国福教授和中国科学院天津工业生物技术研究所李德茂研究员为共同通讯作者。上海理工大学顾阳研究员为该研究提供了宝贵意见。

论文链接

乙醇梭菌荧光蛋白厌氧报告系统（FPAR）筛选及其启动子文库的构建流程