发表于《Nature Communications》的一项研究“Methanol biotransformation for the production of biodegradable plastic monomer L-lactate in yeast”提出了一种创新方法，通过工程化甲基营养酵母Ogataea polymorpha，从甲醇高效生产可生物降解塑料聚乳酸（PLA）的单体L-乳酸。这项研究不仅实现了25.0 g/L的L-乳酸产量（从CO2衍生的甲醇中），还通过技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA）证明了其商业可行性和碳负排放潜力，为白色污染和温室气体问题提供了可持续解决方案。以下是对该文章的详细介绍。
白色污染和化石燃料依赖是当前全球环境挑战的核心。传统塑料如聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）难以降解，而微塑料更威胁人类健康。生物基可降解塑料PLA因其环保特性备受关注，但其生产主要依赖第一代（粮食基）和第二代（非粮生物质）原料，面临与粮争地、预处理复杂等问题。第三代生物精炼利用一碳（C1）原料如CO2、甲烷或甲醇，具有不占用耕地、减少温室气体的优势。其中，甲醇作为理想 feedstock，储存运输方便、还原力高，且可通过“液态阳光”技术从CO2氢化大规模生产，实现碳负排放。
本研究旨在工程化甲基营养酵母O. polymorpha，使其能够以甲醇为唯一碳源生产高纯度L-乳酸。关键挑战在于甲醇代谢的刚性，以及乳酸合成与细胞生长对碳通量和辅因子（如NADH）的激烈竞争。通过多维代谢工程策略，研究人员成功优化了酶表达、细胞活力、辅因子平衡和细胞器区室化，最终在发酵罐中实现了高产。
首先，研究人员在O. polymorpha中引入了乳酸脱氢酶（Ldh）基因，以将甲醇代谢中间体丙酮酸转化为L-乳酸。通过筛选5种来自乳酸菌的L-LDH基因，发现Pediococcus acidilactici的PaLdh效果最佳，在摇瓶中产生921 mg/L L-乳酸。基因整合和启动子优化后，菌株HPLA06产量提升至1.2 g/L。
乳酸合成与三羧酸循环竞争丙酮酸，导致细胞生长延迟。通过删除基因IZH3（编码膜蛋白），细胞死亡率从10%降至5%，L-乳酸产量提高23%。但适应性实验室进化（ALE）反而降低了产量，表明需平衡生长与合成。
甲醇代谢主要生成NADPH，而天然Ldh依赖NADH。通过点突变（V40R）将PaLdh的辅因子偏好改为NADPH后，产量提升31%，辅因子比率趋于平衡。这一策略在葡萄糖培养中无效，突显了甲醇代谢的特殊性。
线粒体富含丙酮酸和NADH，是乳酸合成的理想场所。通过将NADH依赖的PaLdh靶向线粒体，实现了胞质和线粒体的双路径合成，产量进一步提高22%，摇瓶产量达2.5 g/L。
在1L发酵罐中，以CO2衍生的甲醇为唯一碳源，工程菌株HPLA22u最终产量达25.0 g/L L-乳酸，产率为0.22 g/g甲醇，为目前C1原料中最高水平。
研究通过TEA和LCA评估了CO2衍生甲醇生产L-乳酸的全过程。基于年产量18,500吨的模型，L-乳酸的最低售价（MSP）为2.29美元/kg，与市场价（1.85-3.15美元/kg）相当。敏感性分析显示，产量、生产率和碳源价格是成本关键驱动因素。LCA结果表明，每生产1kg L-乳酸可固定7.29kg CO2，GWP为1.74 kg CO2-eq，显著低于化石基和木质纤维素基路线，凸显碳负排放优势。
本研究通过多维工程策略，成功将O. polymorpha转化为高效的L-乳酸细胞工厂。与直接CO2发酵相比，甲醇路线具有更高的传质效率和产量。未来，该平台可扩展至其他大宗化学品生产，推动碳中性生物制造。TEA和LCA为商业化提供了数据支撑，强调了过程优化和选址的重要性。
这项研究不仅为PLA的碳负生产奠定了基础，还展示了代谢工程与可持续评估的结合如何加速绿色技术落地。通过“液态阳光”和甲醇生物转化，我们离循环经济更近一步。
引用文献： Nature Communications (2025) 16:10756. DOI: 10.1038/s41467-025-65793-x