甲烷是一种强温室气体，其全球变暖潜能值远超二氧化碳。甲烷气体主要来源包括化石资源开采、煤矿伴生气、水稻田释放以及废弃物处理等厌氧发酵过程产生的沼气。目前甲烷主要应用方式是燃烧生热，其利用方式单一，且转化过程碳原子经济性低下。随着全球人口的增长和气候加剧恶化，蛋白、多糖原料等必需食品供需紧张。微生物蛋白作为一种优质的替代蛋白来源，正显示出巨大的潜力。国外已有多家科技公司着手研发甲烷基微生物蛋白的高效制备技术。利用甲烷作为生物制造原料，不仅可实现资源的有效利用，还能有效缓解“与人争粮，与粮争地”的紧张局面，对于可持续发展具有重要意义。

为了解决甲烷高效利用和蛋白资源紧缺的难题，西安交通大学费强教授团队提出利用特定微生物转化甲烷气体制备生物大分子的生物制造策略。生物转化甲烷生产菌体蛋白面临两个限制因素。首先，现有嗜甲烷菌细胞工厂的生产效率和碳转化率较低，使得菌体蛋白生产成本较高。第二，细胞工厂代谢甲烷同时合成细菌多糖等副产物，而营养供给对其合成菌体蛋白和多糖的影响机制不清晰，不利于实现合成特定产品的理性调控。

针对上述问题，费强教授团队深入解析了微生物同化与异化过程的协同适配机制，通过开发基于碳-氮-氧营养的可控性诱导策略，显著提升了特定产物的生产效率，创制了定向强化合成目标大分子产物的甲烷生物技术。最终蛋白时空产率和细菌多糖滴度在3 L发酵罐中分别超过0.6 g/L/h和15 g/L，是目前甲烷基大分子产品已有报道的最高水平。这项研究成果以“A novel nutritional induction strategy flexibly switching the biosynthesis of food-like products from methane by a methanotrophic bacterium”为题在Green Chemistry上发表（图1）。

 图1 嗜甲烷菌生物合成可食用产品的可控性诱导新策略

作者首先开发了适用于高产多糖的嗜甲烷菌高密度培养工艺，其中多糖产量提高至现有最高水平的6倍。但该培养工艺导致粗蛋白含量降低，表明细胞生长和菌体蛋白合成通路受限。通过检测氮、氧消耗速率和利用水平，发现营养供给受限可能是导致多糖积累的主要原因。因此，作者进一步开发了针对菌体蛋白合成的高密度培养工艺。通过人工调控碳、氧、氮营养供给水平，菌体蛋白产率提高至2倍，甲烷转化效率接近80%，优于现有最高水平。此外，该工艺所产菌体蛋白富含亮氨酸、苏氨酸、赖氨酸和苯丙氨酸等必需氨基酸，粗蛋白含量高达72%，属于优质替代蛋白（图2）。

图2 氮氧充足强化甲烷基蛋白合成

结合表观参数趋势，作者借助合成生物组学分析手段深入探究嗜甲烷菌合成生物大分子的代谢机制，揭示了营养供给对甲烷氧化、氮同化和核糖体合成等核心模块关键基因表达水平的调控作用，阐明了细胞工厂的碳氮代谢流定向强化机制，提出了基于营养调控策略诱导菌体蛋白和多糖等生物大分子合成的新策略（图3）。

 图3 氧氮营养供给诱导嗜甲烷菌合成菌体蛋白和多糖

最后，作者对甲烷基生物制造进行了初步的经济分析和环境影响评估。由于甲烷气体的碳原子成本仅为糖基原料的20%，甲烷基产品具有极高的经济可行性。而相比于直接燃烧甲烷，生物转化甲烷生产菌体蛋白和多糖可将碳减排水平提高50%。此外，与种植大豆获取豆粕蛋白相比，甲烷蛋白可节约超500倍耕地和3000倍淡水资源，为保障我国粮食安全和坚守“耕地红线”提供了可行方案。因此，这一研究不仅展示了甲烷生物制造所具备的显著经济和社会效益，也为我国低碳绿色发展提供了重要的科学依据和技术支撑。

上述研究成果以“嗜甲烷菌生物合成可食用产品的可控性诱导新策略”（A novel nutritional induction strategy flexibly switching the biosynthesis of food-like products from methane by a methanotrophic bacterium) 为题在《绿色化学》（Green Chemistry）期刊作为封面文章发表。 

西安交通大学为第一通讯单位，化工学院博士生高子熹和助理教授郭树奇为共同第一作者，费强教授为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、陕西省杰青基金和陕西高校创新团队等项目的支持。

论文链接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/gc/d3gc04674e