微生物细胞工厂是绿色生物制造的重要平台，可用于合成精细化学品、医药中间体、食品添加剂和生物燃料。然而，当前多数发酵过程仍依赖葡萄糖、蔗糖和淀粉等粮食基碳源，容易带来“与人争粮、与粮争地”的产业矛盾。乙酸被认为是替代糖类底物的重要非粮碳源。一方面，乙酸可由工业尾气、合成气发酵、电催化、光催化或微生物电合成等途径获得；另一方面，乙酸能够快速转化为乙酰辅酶A，并进入乙醛酸循环、TCA循环及多种生物合成通路，从而支撑高值化学品生产。本文从 “可利用乙酸的微生物、提高乙酸利用效率、增强乙酸耐受性、乙酸合成化学品的代谢工程策略”四个方面，系统总结乙酸基生物制造的发展现状与关键瓶颈。
C1气体（工业废气CO2、CO）可通过电催化、光催化、合成气发酵和微生物电化学系统（MESs）转化为乙酸；随后，微生物利用乙酸生产高附加值化学品，如生物燃料、生物医药产品、食品产品和动物饲料（图1）。
为了全面了解微生物利用乙酸的研究进展，本文将乙酸基生物制造拆解为四个问题：第一，哪些微生物可以利用乙酸；第二，如何提高乙酸同化速率；第三，如何增强高浓度乙酸下的细胞耐受性；第四，如何通过代谢工程将乙酸转化为不同类型化学品（图2）。
图2. 文章综述框架：从微生物、乙酸利用、乙酸耐受到产物合成。
乙酸作为碳源的应用首先取决于底盘微生物是否能够高效摄取并同化乙酸。本文将乙酸利用微生物分为非模式微生物和模式微生物两类。非模式微生物的代表包括Ralstonia eutropha、Yarrowia lipolytica、Aspergillus oryzae、Pseudomonas denitrificans、Cryptococcus curvatus和Rhodotorula glutinis等。其优势是环境适应性强、耐受性好，可在高盐、酸碱或复杂条件下生长。模式微生物代表包括E. coli、S. cerevisiae和C. glutamicum，其优势是遗传背景清晰、工具箱成熟、适合系统代谢工程改造。
尽管已有多种微生物被开发用于以乙酸作为底物进行生长和生产，但其乙酸同化效率仍然较低。因此，研究者提出了多种策略以增强微生物对乙酸的利用能力。本文从以下三个方面进行讨论：（1）微生物中的乙酸同化途径，包括AckA–Pta途径 和 ACS途径（图3A）；（2）通过增强乙酸向乙酰辅酶A的转化以促进乙酸利用，包括优化 ACS途径、强化 AckA–Pta途径、引入异源乙酸同化途径以及增强胞内ATP供应（图3B）；（3）通过优化乙醛酸循环以提高乙酸利用效率，包括化内源乙醛酸循环、解除乙醛酸循环的转录抑制以及引入异源乙醛酸循环（图3C）。
图3. 增强乙酸利用的代谢工程策略。（A）乙酸同化途径，包括 AckA–Pta途径 和 ACS途径;（B）促进乙酸向乙酰辅酶A转化的策略，包括优化 ACS途径、强化 AckA–Pta途径、引入异源乙酸同化途径以及增强胞内ATP供应;（C）增强乙醛酸循环通量的策略，包括强化内源乙醛酸循环、解除乙醛酸循环的转录抑制以及引入异源乙醛酸循环。
乙酸对细胞的抑制主要来自三方面：未解离乙酸分子跨膜进入细胞造成质子和阴离子压力；乙酸阴离子在胞内积累后干扰谷氨酸、蛋氨酸、乙酰辅酶A和蛋白乙酰化稳态；以及乙酸诱导ROS积累导致氧化损伤。因此，文章将耐受性提升策略归纳为三类。膜工程主要通过调节脂肪酸、鞘脂和固醇组成增强膜完整性（图4A）；胞内酸抗性系统主要通过乙酸外排和ROS清除降低胞内损伤（图4B）；适应性进化则通过长期筛选获得复杂多基因调控下的强耐受表型（图4C）。
图4. 增强乙酸耐受性的代谢工程策略。（A）膜工程；（B）优化胞内耐酸系统；C）适应性实验室进化。
乙酸首先转化为乙酰辅酶A，随后进入乙醛酸循环、TCA循环、糖异生、脂肪酸合成、异戊二烯合成和多羟基脂肪酸酯合成等路径。从产物类型看，乙酸可以用于生产有机酸、氨基酸、生物燃料、生物材料、碳水化合物和萜类化合物等。例如，琥珀酸、苹果酸、乙醇酸、3-羟基丙酸、PHB、脂质、番茄红素、柠檬烯等产物（图5）。
为了提高不同产物的合成效率，研究者开发了一系列代谢工程策略，主要有：（1）途径酶优化，包括酶挖掘以及调控途径酶的表达水平（图6A）；（2）前体供应优化，包括强化前体生物合成途径以及减少前体消耗（图6B）；（3）竞争途径失活，包括阻断目标产物的降解途径以及削弱竞争性分支途径（图6C）；（4）辅因子工程，包括优化内源辅因子生物合成途径、构建FDH介导的辅因子再生系统以及构建微生物电化学系统（图6D）；（5）代谢途径协同优化，包括模块化工程、动态调控系统设计以及代谢分工（图6E）。
图6. 乙酸到目标化学品的五类工程策略：通路酶优化、前体供给优化、竞争通路阻断、辅因子工程和通路协调优化。
本综述的核心价值在于系统回答了“乙酸为什么适合作为生物制造碳源，以及如何通过代谢工程提高乙酸利用效率”的问题。文章将乙酸利用微生物、乙酸同化、乙酸耐受和乙酸到化学品转化整合为一个较完整的知识框架，对乙酸基细胞工厂、C1气体资源化以及电生物耦合制造均具有参考意义。
相关成果以“Metabolic engineering strategies to improve microbial acetate utilization for chemical production”为题，发表在Green Energy & Environment期刊，通讯作者为江南大学刘立明教授。
