前沿丨高通量质谱 RapidFire 助力甲醛生物转化，加速一碳生物制造

2025-10-10 16:08:13, 安捷伦科技安捷伦科技（中国）有限公司

在“双碳”目标与可持续制造需求的推动下，一碳（C1）分子（如甲醛、CO₂、甲醇）的生物转化成为合成生物学领域的研究热点——它既能减少碳排放，又能将廉价碳源转化为乙醇醛（GALD）、二羟基丙酮（DHA）等高附加值平台化学品，为医药、材料等行业提供绿色原料。

一碳生物制造的工业化进程长期受限于关键酶（如乙醛酸合酶 GALS）催化效率低、缺乏高效筛选方法等瓶颈。近期，中国科学院深圳先进技术研究院司同教授团队在 ACS Synthetic Biology 发表的研究论文“Mass spectrometric screening for improving enzymatic conversion of formaldehyde into C2 and C3 products”^[1]，创新性地将安捷伦 RapidFire 高通量液质联用技术与酶工程、自动化平台结合，构建了一套“快速筛选-高效改造”的整合方案，成功突破了甲醛酶促转化的筛选瓶颈，为一碳生物制造的酶工程改造提供了全新范式。

专家解读：

一碳生物制造的“酶”瓶颈与技术破局

司同研究员

国家重点研发计划“合成生物学”专项首席科学家

深圳合成生物研究重大科技基础设施总工艺师

课题组关注自动化合成生物研究的理论、技术和应用。前期成果在 Nature Communications，JACS，Angew Chem，Metabolic Engineering 等国际著名学术期刊发表论文 50 余篇，“谷歌学术”引用超过 3000 次。任 ACS Synth Biol 青年编委，《合成生物学》期刊编委，中国生物工程学会合成生物学分会青年工作组委员，获国家级、广东省青年人才、深圳市杰青等荣誉。

司同教授团队长期聚焦合成生物学与酶工程领域，尤其在一碳代谢途径改造、高通量筛选技术开发方面成果显著。此次研究针对一碳生物制造的核心痛点展开：

“甲醛作为高活性 C1 中间物，可在 GALS 催化下缩合生成 C2（GALD）、C3（DHA）产物，但天然 GALS 催化效率低，且传统筛选方法无法满足大规模突变体优化需求——色谱法（HPLC/GC）定量准确但每样本需 20 分钟，分光光度法通量高却易受结构相似分子干扰。”

团队指出，解决这一问题的关键在于构建“优化宿主-高通量检测-突变体筛选”的闭环体系：既要通过基因编辑减少宿主代谢干扰，更要开发兼具“高选择性、高速度、准确定量”的检测技术。而安捷伦 RapidFire 液质联用技术的引入，恰好为高通量筛选提供了核心工具支撑。

研究挑战：

从“底物浪费”到“筛选低效”多重困境

在正式开展 GALS 改造前，团队面临三大核心挑战，这些也是一碳生物制造领域的共性难题：

宿主内源代“抢底物”，目标产物产率低

大肠杆菌作为常用的微生物底盘，其内源基因（如 frmA、dhaK）会将甲醛（FALD）转化为副产物甲酸（FA），导致底物浪费——野生型菌株中 FA 积累量高，GALD 产量仅 97.6mg/L，且 DHA 因与 FA 色谱峰重叠，难以准确定量。

传统筛选方法“两难全”，无法支撑酶改造

色谱法（HPLC）：虽能准确区分 GALD、DHA 与 FA，但单次分析需 20 分钟，若要筛选上百个 GALS 突变体，耗时长达数天，效率极低；

分光光度法：虽能实现 96 孔板高通量检测，但 GALD、DHA 的检测依赖不同显色反应，且甲醛残留会导致 DHA 检测干扰率高达 48.5%，定量准确性差。

GALS 突变体“大海捞针”，需兼顾通量与准确性

GALS 的催化活性与 7 个关键氨基酸残基（Ser26、Gly109 等）密切相关，要实现酶活性提升，需构建覆盖这些位点的饱和突变库（约 133 种突变体）。传统方法要么“慢得无法筛选”，要么“不准得筛错方向”，难以高效找到优势突变体。

RapidFire 技术：

10 秒/样本！高通量液质联用破解筛选困局

图1. 安捷伦 RapidFire 400 高通量液质联用系统

为突破上述瓶颈，团队将安捷伦 RapidFire 400 高通量液质联用系统作为核心检测工具，结合化学衍生、自动化平台，打造了一套针对 GALS 突变体的高通量筛选方案（图 2），从“速度、选择性、准确性”三个维度解决传统方法的痛点：

化学衍生+MRM 模式：消除干扰，准确定量

针对 GALD、DHA 分子量小（易受基质干扰）的问题，团队采用 10mM MBTH（3-甲基-2-苯并噻唑腙盐酸盐）对样品进行衍生化处理——MBTH 可与 GALD、DHA 特异性结合，形成稳定的衍生物（GALD-MBTH：m/z 222→177；DHA-MBTH：m/z 252→177）。

通过安捷伦 6470 三重四极杆质谱的多反应监测（MRM）模式，可精准捕捉目标衍生物的特征离子，彻底消除甲醛、甲酸等杂质的干扰，定量准确性与 HPLC 相当（R²＞0.998）。

在线 SPE+自动化：10秒/样本，通量提升 120 倍

安捷伦 RapidFire 系统的在线固相萃取（SPE）功能是高通量的核心：系统可自动完成“样品上样-溶剂洗涤-分析物洗脱-质谱检测”全流程，无需手动前处理；同时省去传统 HPLC 的色谱分离步骤，将单次样品分析时间从 HPLC 的 20 分钟压缩至 10 秒，通量提升 120 倍。

即使对 96 孔板的突变体样品进行批量分析，也能在 1 小时内完成所有检测，大幅缩短筛选周期。

与自动化平台兼容：实现“克隆-筛选-分析”全流程无人化

团队将 RapidFire 液质系统与机器人生物铸造厂（Robotic Biofoundry）对接：机器人自动完成 GALS 突变库构建（PCR、吉布森组装）、大肠杆菌转化、全细胞催化，随后直接将上清液送入 RapidFire 系统检测——整个过程无需人工干预，既避免人为误差，又进一步提升筛选效率。

图2. 基于 RapidFire MS 的 GALS 突变体自动化高通量筛选方案

高通量带来的“双重突破”：

从高效突变体到工业化潜力

借助 RapidFire 技术的高通量优势，团队成功完成了 GALS 突变库的筛选与改造，实现了“酶性能提升”与“一碳转化效率优化”的双重突破：

快速筛选到“超优”GALS 突变体

针对 GALS 的 7 个关键残基，团队构建了 117 个有效突变体，通过 RapidFire 系统快速筛选，最终获得 2 个性能显著提升的突变体：

G109I 突变体：生成 GALD 的催化常数（kcat）较野生型提高 3.7 倍，意味着单位时间内可催化更多甲醛转化为 C2 产物；

G109F 突变体：对 DHA 的米氏常数（Km）降低 5 倍（从 351.1mM 降至 72.2mM），对底物亲和力大幅提升，产物分布向 C3（DHA）偏移。

这些突变体的获得，为一碳生物制造提供了高效酶元件，直接推动甲醛转化效率提升。

建立可推广的“一碳酶改造”范式

更重要的是，团队通过分子动力学模拟验证了突变机制：如 G109F 突变会缩小 GALS 活性口袋体积（减少 66.88 Å³），增强与反应中间体的结合稳定性，从而偏向 DHA 生成——这一机制为其他一碳转化酶（如甲醛裂合酶、甲醇脱氢酶）的改造提供了理论指导。

同时，RapidFire 系统的宽线性检测范围（GALD：1.56-250 mg/L；DHA：1.56-500 mg/L）可覆盖不同突变体的产物浓度，无需频繁稀释样品，进一步保障了筛选的稳健性。

技术启示:

RapidFire 助力合成生物学“快迭代”

司同教授团队的研究不仅解决了 GALS 改造的筛选问题，更为合成生物学领域的高通量研究提供了重要启示：

在一碳生物制造、天然产物合成、工业酶改造等领域，“快速筛选”是加速成果转化的关键——安捷伦 RapidFire 液质联用技术凭借“秒级的速度、准确定量的选择性、自动化兼容能力”，可成为连接“突变体构建”与“性能优化”的核心桥梁。

未来，随着该技术与 AI 设计、自动化平台的进一步融合，有望实现“突变体设计-筛选-机制解析”的全流程智能化，推动一碳生物制造、医药中间体合成等领域的工业化进程加速落地。

参考文献：

Luo Y, Fu L, Chen J, et al. Mass spectrometric screening for improving enzymatic conversion of formaldehyde into C2 and C3 products[J]. ACS Synthetic Biology, 2025, 14(10): 2718-2728.

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