二氧化碳資源化利用是全球可持續發展的核心課題，而 “二氧化碳→甲醇→化學品” 的生物轉化路徑，正成為破解這一難題的關鍵方向。近日，中國科學院天津工業生物技術研究所(以下簡稱 “天津工業生物所”)新酶設計研究團隊傳來重磅突破 —— 首次實現吡咯喹啉醌(PQQ)依賴型甲醇脫氫酶(MDH)在大腸杆菌中的異源合成與正确組裝，同時揭示關鍵分子伴侶 MxaJ 的作用機制。這一成果不僅為甲醇生物轉化提供 “理想生物催化劑”，更打破了該技術長期面臨的 “轉化速率與轉化率難協同” 瓶頸，相關研究已發表于國際權威學術期刊《Nature Communications》。
一、核心突破：攻克 “酶” 的合成與組裝難題，填補技術空白
甲醇脫氫酶(MDH)是甲醇生物轉化的 “核心引擎”，而自然界中天然具備高能量效率與高催化速率的 PQQ 依賴型 MDH，此前長期受限于 “隻能從天然宿主中分離純化” 的技術桎梏，難以規模化應用。天津工業生物所團隊通過兩大關鍵動作，實現技術突破：
(一)基因重構：讓 “特殊酶” 在普通微生物中 “安家”
團隊聚焦 PQQ 依賴型 MDH 的 14 個基因組成的生物合成基因簇，通過理性設計與優化重構，成功将其導入模式工業微生物大腸杆菌中。這一操作打破了該酶對天然宿主的依賴，實現 “異源合成”—— 相當于讓原本隻能在 “專屬實驗室” 生産的酶，在更易培養、成本更低的 “通用工廠” 中穩定産出，為後續規模化制備奠定基礎。
(二)機制解密：找到輔因子裝配的 “關鍵鑰匙”
酶的活性離不開輔因子的精準裝配，而 PQQ 正是 MDH 發揮功能的 “必需搭檔”。團隊通過基因缺失實驗與蛋白組分分析，精準篩選出 9 個參與 MDH 合成與組裝的關鍵基因，并鎖定分子伴侶 MxaJ 的核心作用：利用冷凍電鏡技術解析複合體結構後發現，MxaJ 能與 MDH 蛋白中 “PQQ 結合口袋” 上方的 loop 區精準互動，像 “打開抽屜” 一樣讓結合口袋暴露，從而促進 PQQ 高效結合。這一機制的闡明，徹底解決了此前輔因子裝配效率低、酶活性不穩定的難題。
二、産業價值：為二氧化碳轉化鋪路，推動綠色制造升級
此次突破的核心價值，在于為 “二氧化碳資源化利用” 提供了關鍵技術支撐，有望重塑綠色化工産業格局。
當前，利用可再生能源将二氧化碳還原為甲醇已實現技術落地，但甲醇進一步轉化為高附加值化學品時，卻因缺乏高效酶催化劑而受限 —— 傳統酶要麼 “轉化快但能量浪費多”，要麼 “能量效率高但反應慢”，難以兼顧。而天津工業生物所研發的 PQQ 依賴型 MDH，天然具備 “高能量效率 + 高催化速率” 雙重優勢，再經異源合成優化後，成為解決這一矛盾的 “理想生物催化劑”。
按團隊測算，基于該酶的甲醇生物轉化技術，未來可将甲醇到化學品的轉化效率提升 30% 以上，同時降低 25% 的能耗。這意味着，不僅二氧化碳的 “碳循環” 路徑更高效，還能為醫藥、材料等領域提供更綠色的化學品合成方案，助力 “雙碳” 目标落地。
三、創新生态：天津保稅區打造合成生物 “策源高地”
此次成果的誕生，離不開天津港保稅區構建的 “創新 - 轉化 - 産業” 全鍊條支撐體系。作為天津合成生物學領域的核心載體，保稅區依托天津工業生物所、國家合成生物技術創新中心等平台，已培育出一系列标志性成果：從全球首例二氧化碳人工合成澱粉，到健康糖、DNA 合成儀的産業化落地，持續推動 “實驗室成果” 向 “生産線産品” 轉化。
未來，保稅區将進一步貫通 “創新策源 — 概念小試 — 中試轉化 — 規模生産” 全流程，為科研機構提供場地、資金、産業鍊配套等支持，強化天津在合成生物學領域的 “創新策源能力” 與 “産業競争力”，讓更多像 “甲醇脫氫酶” 這樣的技術突破，加速成長為推動區域經濟高質量發展的新動能。
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