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地球上的一碳类资源有很多种,其中甲醇和甲醛作为生物代谢的基本中间产物之一,它们来源广泛且廉价易得,是一种重要的底物原料。将来源于恶臭假单胞菌的苯甲酰甲酸脱羧酶进行改造,获得了活性高的突变菌株乙醇醛合酶(Glycolaldehyde synthase,GALS),可以催化实现甲醛的二聚反应,产物是乙醇醛,而乙醇醛是生命代谢活动的重要中间产物,在生物生命活动中参与多种反应,在日常生活中也有很多应用。利用GALS设计了两条代谢途径,但两个反应过程的关键限制酶是GALS,因此提高GALS的酶活性,可以显著地提高甲醛的利用效率,不仅对设计的两条代谢途径尤为重要,而且还为后续的研究打下基础。为此,在前期研究中,实验室通过定点突变的方式,用高通量筛选的方法,获得了高活性的突变体。设计的第一条途径是从甲醇出发,利用甲醇脱氢酶(methanol dehydrogenase,BmMDH)、GALS和醇脱氢酶(alcohol dehydrogenase,aLdA)经过三步催化反应生成乙醇酸,乙醇酸可以参与生物体内三羧酸循环等代谢途径被生物利用。为了实现该途径,首先将该过程中的关键酶BmMDH、GALS和aLd A进行体外表达并验证酶的活性,结果表明,利用高效液相色谱仪(HPLC)和毛细管电泳仪都检测到了乙醇酸,因此该反应可以实现。体外反应实现后,又进一步做到体内,将三段酶基因导入敲除甲醛异化途径的大肠杆菌中,并用C13标记的甲醇为唯一碳源,进一步做生长实验,而后检测到了2-磷酸甘油酸(2PG)和磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)这两种由设计的途径引入的C13标记的代谢物,至此也说明设计的乙醇酸菌株生长途径也实现了。第二条路线是以甲醛为底物,同样经过三步反应生成L-木糖,这个反应过程用到了两种酶,一种是上述提到的GALS,另一种是能够甲醛和乙醇醛生成L-甘油醛同时又催化乙醇醛和L-甘油醛生成L-木糖的D-果糖-6磷酸醛缩酶(D-fructose-6-phosphate aldolase,FSA)。为了实现该过程,同样也是先将这两种酶进行表达和活性验证,结果显示,将反应产物做了衍生处理后,同样用HPLC检测到了L-木糖。对途径进行优化后,最终体外转化率高达64%,这一反应实现了从简单一碳物质到有机单糖的转换,这一过程的实现为合成其他有机糖类提供了参考。以甲醇和甲醛为底物的催化途径设计,为一碳资源的利用提供了一种新的可能,对于生物技术的发展具有重要意义。