近日，中国农业科学院生物技术研究所微生物智能设计与合成创新团队突破了生物固氮大规模应用的两大瓶颈——高耗能与固氮酶对氧敏感，成功构建了电能-化学能耦联驱动的固氮菌体蛋白合成体系，通过代谢网络重构和副产物阻断等策略，实现菌体蛋白的高效合成，为开发饲用蛋白替代产品奠定了重要的工作基础。相关成果发表于《生物资源技术（Bioresource Technology）》。

本研究首先从多株固氮菌中筛选到可以在21%氧气条件下固氮生长且对外源电流响应良好的棕色固氮菌，并以此为底盘，建立了一套稳定高效的电驱动好氧生物固氮（e-BNF）系统，显著提升生物量2.73倍。机理研究表明，外源电能不仅激活能量利用效率最高的Mo-Fe固氮酶系统，同时显著提升胞内还原力及ATP，为固氮酶提供充足还原力与能量。此外，该研究首次揭示了好氧条件下e-BNF系统中存在双重电子传递路径，主路径Rnf1–NifF电子传递贡献率>90%，一条新的替代旁路在关键复合物缺失时仍保持9.3%固氮酶活性。进一步采用代谢工程策略提升系统效能，异源表达电子导线蛋白OmcS，使铵产量提高7.23倍；阻断副产物聚羟基丁酸酯合成，在保持固氮产铵能力的同时，碳源消耗降低57.30%，菌体蛋白含量从30%提升至66.72%，展现出单细胞蛋白与绿色氨合成的双重潜力。相关工作已申请国家发明专利2项。该研究突破了传统e-BNF系统依赖厌氧或微好氧条件的局限，为基于可再生电力的绿色氨合成，以及利用低质碳源高效生产菌体蛋白、实现传统植物源饲料蛋白替代，提供了理论基础与技术路径。

本研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、海南省种子实验室与中国种子集团项目以及中国农业科学院科技创新工程等项目资助。博士研究生任丽莹为第一作者，燕永亮研究员、战嵛华研究员和周正富副研究员为共同通讯作者，林敏研究员为本研究提供悉心指导。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0960852426008989

图示：电能驱动棕色固氮菌好氧固氮体系及系统改造策略