研究背景：食物蛋白质是人类饮食中的关键营养素，对维持生命活动和促进健康至关重要。然而，传统的蛋白质生产方式主要依赖于农业工业，这不仅消耗大量的土地和水资源，还导致环境污染和温室气体排放。乳蛋白，如乳铁蛋白，是一种具有高营养价值和生物活性的蛋白质，主要从牛奶中提取。但牛奶的生产同样面临资源消耗和环境污染的问题。因此，寻找一种可持续、环保的蛋白质生产方式成为当前研究的热点。微生物发酵作为一种生产蛋白质的方法，具有土地和水需求少、碳排放低等优势。通过微生物发酵，可以利用可再生资源合成蛋白质，减少对环境的污染，实现可持续发展。近年来，随着合成生物学和代谢工程的快速发展，微生物发酵在蛋白质生产中的应用越来越广泛。研究问题：尽管乳蛋白已在多种细胞工厂中成功表达，但高效表达和分泌之间的限速步骤尚未明确。这导致蛋白质合成效率低，无法进一步应用。此外，如何提高CO2固定效率，将其转化为易于生物利用的C1化合物，如甲醇，并进一步转化为乳蛋白，也是当前研究面临的重要问题。

研究结果：

·         毕赤酵母菌株的构建：研究者通过揭示并打破限速步骤，构建了一种能高效合成人乳铁蛋白（hLF）的毕赤酵母菌株。在生物反应器中，该菌株的hLF产量达到5.4g L-1，这是迄今报道的最高产量。

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·         CO2到甲醇的转化：使用CuZnAl催化剂，在连续流反应器中稳定合成甲醇。甲醇纯度高达99%，产率为6.7%（mol/mol）。

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·         甲醇到乳蛋白的转化：使用热生成的甲醇作为唯一碳源，毕赤酵母合成了56.2mg L-1的hLF。甲醇转化率为1.1mg g-1，碳原子转化率为0.17%。

·         其他乳蛋白的生产：该级联催化系统还成功用于生产其他乳制品蛋白，如骨桥蛋白和乳清蛋白。

研究意义：通过工程化毕赤酵母，实现了从CO2到乳蛋白的级联合成。该研究不仅为可持续的蛋白质制造提供了新的策略，还具有重要的科学意义和应用价值。通过该方法，我们可以利用可再生资源合成高营养价值的乳蛋白，减少对环境的污染，实现可持续发展。同时，该研究还展示了串联催化在生物质转化领域的潜力，为未来的生物制造提供了新的思路和技术路径。
文献来源：Lv X, Cui S, Chen J, Wang L, Liu Y, Li J, Du G, Liu X, Chen J, Ledesma-Amaro R, Liu L. Cascaded de novo biosynthesis of lacto-proteins from CO 2 by engineered Pichia pastoris. Green Chemistry. 2023;25(14):5460-9.