甘油已经成为生物生产过程中具有吸引力的底物，然而由于氧化还原失衡，大肠杆菌在严格厌氧条件下，无法在添加甘油的基本培养基上生长。在之前的所有研究中，以甘油为碳源的野生型大肠杆菌的厌氧生长只能通过向培养基中添加用于厌氧呼吸的电子受体（如富马酸盐）或是补充复杂且相对昂贵的添加剂（如胰蛋白胨或酵母提取物）来平衡胞内的氧化还原环境，这在大规模运用中会显著增加工艺成本，从而不具备经济可行性。

近日，德国马克斯-普朗克研究所的Steffen Klamt等人在《Metabolic Engineering》上发表了题为“Enabling anaerobic growth of Escherichia coli on glycerol in defined minimal medium using acetate as redox sink”的文章。作者基于模型计算，提出了一种简单的方法来平衡氧化还原当量，作者表明氧化还原平衡可以通过摄取少量乙酸盐经乙酰辅酶A还原为乙醇来实现，这使大肠杆菌能够在基本培养基中利用甘油。首先，作者根据大肠杆菌的厌氧甘油代谢模型表示，净生成1mmol ATP需要1mmol甘油，氧化约1.50 mmol的NADH来生成0.1 g的干生物量，需要9.41 mmol的甘油，NADH的不平衡，导致野生型大肠杆菌不能以甘油作为唯一底物生长。乙酸盐的吸收和通过乙酰辅酶A转化为乙醇会消耗两个NADH和一个ATP，结合上述内容，作者从甘油和乙酸盐的共同利用中获得了厌氧生物质合成的最佳化学计量，这些理论结果清楚地表明，大肠杆菌在甘油作为主要底物上的厌氧生长可以通过少量乙酸盐作为共底物来实现。接着通过实验室定向进化，作者证实这一假设并获得了一株大肠杆菌，该菌株在厌氧条件下以甘油为主要底物，乙酸盐为共底物，生长强劲(μ=0.06h-1)，具有高比甘油吸收率(10.2 mmol/gDW/h)和接近理论最大值的乙醇产率(0.92 mol/mol甘油)。最后经过进一步的化学计量计算，作者阐明了为什么以前研究中使用的复杂添加剂（例如胰蛋白胨）能够使大肠杆菌达到氧化还原平衡。

综上，作者基于模型计算大肠杆菌在甘油作为主要底物上的厌氧生长可以通过少量乙酸盐作为共底物来实现，为大肠杆菌的发酵代谢提供了新的生物学见解，并为基于甘油的可持续生产过程提供了新的视角。

（冷静 摘译）