全 文 ：第24卷 第3期
2012年3月
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
Vol. 24, No. 3
Mar., 2012
文章编号：1004-0374(2012)03-0266-08
甲基营养微生物的甲醛代谢途径
及其在环境生物技术中的应用
张　韦，宋中邦，陈丽梅*
(昆明理工大学生命科学与技术学院生物工程技术研究中心，昆明 650500)
摘　要：甲醛是一种毒性很高的一碳化合物，甲基营养菌是一类能在有高浓度甲醛的环境中生存的微生物，
它们体内有多种降解甲醛的氧化途径和将甲醛转化为细胞组分的同化途径。丝氨酸途径和酮糖单磷酸途径
是同时存在于甲基营养型细菌中的两种甲醛同化途径，木酮糖单磷酸途径是甲基营养型酵母菌中独有的甲
醛同化途径。为了充分挖掘甲基营养型微生物在环境生物技术中的潜在应用价值，最近有很多研究尝试利
用甲基营养微生物的细胞及其甲醛代谢途径关键酶开发甲醛污染检测方法和生物治理技术，对这方面的研
究进展进行综述。
关键词：微生物；甲醛污染；甲醛代谢途径；甲基营养菌；环境生物技术
中图分类号：Q936; O623.511; X51 文献标志码：A
Formaldehyde metabolic pathways in methylotroph and their
applications in environmental biotechnology
ZHANG Wei, SONG Zhong-Bang, CHEN Li-Mei*
(Biotechnology Research Center, Faculty of Life Science and Biotechnology,
Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China)
Abstract: Formaldehyde (HCHO) is a highly toxic one-carbon compound. Methylotroph is a kind of
microorganisms, which can live in environments with high concentration of HCHO. Various HCHO-oxidation
pathways and HCHO-assimilation pathways are found in methylotroph. Serine pathway and ribulose
monophosphate pathway are two HCHO-assimilation pathways, which exist simultaneously in methylotrophic
bacteria. Xylulose monophosphate pathway is a HCHO-assimilation pathway that is only present in methylotrophic
yeasts. To sufficiently explore the potential application of methylotroph in environmental biotechnology, many
studies attempted to develop methods and technologies for detection and remediation of HCHO pollution by using
cells and key enzymes involved in HCHO-metabolisms of methylotroph. This paper reviewed the recent research
progresses in these fields.
Key words: microorganism; formaldehyde pollution; formaldehyde metabolic pathway; methylotroph; environ-
mental biotechnology
收稿日期：2011-10-20； 修回日期：2011-12-19
基金项目：国家自然科学基金项目(30670163)；云南
省中青年学术与技术带头人培养费项目(2004PY01-5)
*通信作者：E-mail: chenlimeikm@yahoo.com.cn
在生命出现之前，甲醛 (HCHO)是自然界最丰
富的有机化合物之一 [1]。在生命演变过程中，能适
应当时的环境条件并能很好地生存的生物体都有一
定的甲醛解毒机制以防止体内的甲醛浓度升高 [2]。
在进化过程中，微生物体内形成多种甲醛解毒机制，
尤其是在甲基营养菌中形成了更为复杂有效的甲醛
代谢系统。甲基营养菌是一类能利用 CO2的各种还
张　韦，等：甲基营养微生物的甲醛代谢途径及其在环境生物技术中的应用第3期 267
原态一碳 (C1)化合物，如甲烷、甲醇、甲胺作为
碳源和能源生长的微生物 [3]。C1化合物在甲基营
养菌体内代谢的过程中首先被氧化成甲醛，甲醛随
后有两种代谢命运：一是甲醛经过各种异化途径最
终氧化生成 CO2；二是通过同化途径把甲醛转变细
胞的组成成分。在甲醛固定过程中，已知有三个途
径包括丝氨酸途径、核酮糖单磷酸途径 (RuMP)和
木酮糖单磷酸途径 (XuMP)可用甲醛作为前体合成
C2或者 C3化合物的骨架 [3]。前两者主要出现在原
核生物中，后者在酵母中发现。
甲醛是大气中一种主要的污染物，主要来源于
生物质的燃烧，刨花板、树脂和化工生产等过程，
还有一部分来自空气中碳氢化合物和其他有机物的
光化降解过程。因为甲醇通过与羟自由基 (·OH)的
作用可被氧化产生甲醛，所以含甲醇燃料使用量的
增加对大气中甲醛浓度的升高也有一定作用 [4]。甲
醛被广泛用于工业生产中，是胶粘剂工业应用最广
泛的化学原材料。随着经济的发展和人民生活水平
的提高，各种原料制成的建筑装饰材料已走入各种
室内公共场所和家庭，使甲醛成为室内空气污染最
具代表性的化学物质。迄今为止，用多孔材料进行
物理吸附，用活性氧化剂进行物理反应，用贵金属
作为催化剂使甲醛氧化为 CO2和 H2O等技术能有
效去除气体甲醛 [5]。然而，物理吸附和化学反应不
能完全将甲醛转化为无害的化合物。甲醛的生物降
解与吸附和化学反应方法相比是环境友好型且成本
很低的技术。此外，对环境、商品、饮用水及食物
产品中甲醛的检测是科学和技术中的一大挑战 [6]。
迄今为止，甲基营养型微生物在生物技术中的应用
受到了广泛的关注，已在许多生物过程如维生素、
聚合物、氨基酸、酶和各种有用蛋白质的产生中被
成功应用 [7]。最近有很多研究尝试利用甲基营养型
微生物的细胞及其甲醛代谢途径关键酶开发甲醛污
染检测方法和生物治理技术，本文对这方面的研究
进展进行综述。
1　甲基营养微生物的甲醛代谢途径
1.1　甲醛氧化途径
甲基营养菌在以甲醇或甲胺作为碳源和能源生
长时，甲醇和甲胺首先被氧化为甲醛 [8]。研究证实，
在微生物细胞内，游离甲醛首先通过与各种辅因子
的结合形成加合物而脱毒 (图 1)，这些辅因子在不
同微生物中各异，主要有真菌硫醇、还原型谷胱甘
肽、四氢甲基碟呤及四氢叶酸等 [9-10]。甲醛与辅因
子的缩合为自发反应，但可被 HCHO激活酶增强 [9]。
这些反应产生的 HCHO加合物主要被氧化生成 CO2
并再生辅因子，同时提供能量供微生物生长。例如，
HCHO与还原型谷胱甘肽通过非酶促反应生成硫代
羟甲基谷胱苷肽，该加合物通过由谷胱甘肽依赖型
甲醛脱氢酶、硫代甲酰基谷胱甘肽水解酶、NAD+
依赖型甲酸脱氢酶催化的连续反应氧化生成 CO2，
并再生谷胱甘肽 [9]。该途径不仅使甲醛脱毒，而且
生成 NADH进而被氧化释放能量，因而该途径在
微生物体内具有重要的生理意义。这是许多非甲基
营养生物包括植物和哺乳动物中最普遍存在的甲醛
脱毒途径 [11-13]，在甲基营养菌和酵母菌中也广泛存
在。一些革兰氏阳性细菌含有糖硫醇即真菌硫醇而
不含有谷胱甘肽，这些细菌细胞产生的甲醛和真菌
硫醇形成硫代加合物 [14-15]。在一些甲基营养菌中，
甲醛和四氢叶酸加合生成亚甲基化四氢叶酸，该反
应不需要酶催化 [9]。亚甲基四氢叶酸及其转化形成
的含有 C1单位的四氢叶酸衍生物是重要的甲基化
供体，可以进入丝氨酸途径用于生物合成或者进入
氧化途径氧化产生 CO2。四氢甲基蝶呤通常在专性
厌氧古生菌产甲烷菌和卤化菌中被用来捕获甲
醛 [16]，与亚甲基谷胱甘肽相似，亚甲基四氢甲基
蝶呤被进一步氧化使甲醛脱毒并产生能量。甲醛和
四氢甲基蝶呤的缩合反应是自发的，但特异的甲醛
激活酶可加速其反应 [17]。在兼性甲基营养型细菌
Methylobacterium extorquens AM 1中发现，四氢甲
基蝶呤和四氢叶酸两条途径介导甲醛到甲酸的 C1
单位转移。在 C1底物上生长时两个途径都是必需
的，但四氢叶酸介导途径无法单独完成甲醛脱毒的
功能，四氢甲基蝶呤介导途径是 M. extorquens AM 1
主要的甲醛氧化和脱毒途径 [18]。
GSH：还原型谷胱甘肽；MySH：真菌硫醇；H4F：四氢叶
酸；H4MPT；四氢甲基碟呤
图1 微生物甲醛氧化途径[3]
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1.2　甲醛同化途径
1.2.1　甲基营养酵母菌同化甲醛的木酮糖单磷酸
途径
甲基营养型酵母菌可以在只有甲醇作唯一碳源
的培养基中生长，甲醇进入酵母细胞后首先被甲醇
氧化酶 (AOD)氧化为甲醛，甲醛脱毒途径之一是
通过谷胱甘肽依赖型氧化途径分解成 CO2
[19]。另外
一部分甲醛通过木酮糖单磷酸途径 (XuMP)途径固
定 (图 2)，在该途径中，甲醛首先由二羟丙酮合成
酶 (DAS)催化的反应 [3]固定到 5-磷酸木酮糖 (Xu5P)
分子上生成三磷酸甘油醛 (GAP)和二羟丙酮 (DHA)。
DHA对酵母细胞有毒，它通过二羟丙酮激酶 (DAK)
催化的反应脱毒生成无毒性的磷酸二羟丙酮
(DHAP)。这两个反应的产物 GAP和 DHAP随后通
过醛缩酶催化的反应形成 1,6-二磷酸果糖 (FBP)，
FBP去磷酸化形成 6-磷酸果糖 (F6P)，F6P的一部
分用于再生甲醛的受体 Xu5P，另一部分可进一步
通过其他途径用于细胞组分的合成。
在酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae)中过量
表达多形汉森酵母 (Hansenula polymorpha)的甲醛
脱氢酶和甲酸脱氢酶可提高其甲醛耐受性，从而在
利用甲醛作为辅助底物时可增加其生物量 [20]。在以
甲醇为碳源生长时，甲基营养酵母菌中甲醇代谢相
关酶蛋白的表达水平大幅度上升，说明编码这些酶
基因的启动子被甲醇强烈诱导 [7]。在甲基营养型博
伊丁假丝酵母 (Candida boidinii)中，对一些已知甲
醇诱导表达基因的调控和转录激活的分子机理进行
了深入的研究，最近已分离并鉴定了调控这些基因
表达的转录因子 [7]。甲醇诱导表达基因的分子机制
在其他酵母中也进行了详细的研究。用甲醇诱导基
因的强启动子在甲基营养型酵母菌 ,如毕赤酵母
(Pichia pastoris)、多形汉森酵母和博伊丁假丝酵母
中建立了高效的异源基因表达系统，这些表达系统
在学术研究和工业领域的应用普遍增加 [7]。此外，
还有研究以甲基营养型酵母为宿主菌，将这类酵母
菌的过氧化物酶体开发成有毒蛋白的生产系统 [7]。
1.2.2　甲基营养型细菌同化甲醛的丝氨酸途径
很多能以甲醇为碳源生长的甲基营养型细菌都
拥有同化甲醛的丝氨酸途径 (图 3)，在丝氨酸途径
中，首先通过非酶促反应甲醛和四氢叶酸结合生成
5,10-亚甲基四氢叶酸，然后由丝氨酸羟甲基转移
酶催化 5,10-亚甲基四氢叶酸和甘氨酸缩合形成丝
氨酸，同时释放四氢叶酸，由此形成这个途径的重
要中间产物丝氨酸。丝氨酸在丝氨酸：乙醛酸氨基
转移酶的作用下形成羟基丙酮酸，在羟基丙酮酸还
原酶的作用下羟基丙酮酸转变成甘油酸，再由甘油
酸激酶催化甘油酸产生 2-磷酸甘油酸。此后经过
四个酶的连续作用从 2-磷酸甘油酸产生苹果酰辅
酶 A，在苹果酰辅酶 A裂解酶的作用下产生乙醛酸，
最后在丝氨酸：乙醛酸氨基转移酶的作用下，从乙
AOD：甲醇氧化酶；CTA：过氧化氢酶；FDH：甲酸脱氢酶；FGH：硫代甲酰基谷胱甘肽水解酶；FLD：甲醛脱氢酶；GS-
CH2OH：S-羟甲基谷胱甘肽。
图2 甲基营养酵母菌同化HCHO的木酮糖单磷酸途径[3]
张　韦，等：甲基营养微生物的甲醛代谢途径及其在环境生物技术中的应用第3期 269
醛酸产生 5,10-亚甲基四氢叶酸的亚甲基受体甘氨
酸 [21]。
1.2.3　甲基营养型细菌同化甲醛的核酮糖单磷酸
途径
核酮糖单磷酸途径 (RuMP)途径 (图 4)作为高
效捕捉游离甲醛的一个系统，在甲醛浓度极低的情
况下还能发挥作用，它存在于很多甲基营养菌和非
甲基营养菌中。RuMP途径由三个阶段组成 [22]，第
一阶段甲醛和 5-磷酸核酮糖 (Ru5P)在 6-磷酸己酮
糖合成酶 (HPS)作用下缩合产生 6-磷酸己酮糖
(Hu6P)；Hu6P在 6-磷酸己酮糖异构酶 (PHI)作用
下异构化产生 F6P。HPS和 PHI是 RuMP途径的两
个关键酶。这两步反应是 RuMP途径独有的反应，
组成甲醛同化阶段。第二阶段是 F6P在激酶催化下
THF：四氢叶酸；SHMT：丝氨酸羟甲基转移酶；GLYCINE：甘氨酸；SERINE：丝氨酸；PEP羧化酶：磷酸烯醇丙酮酸羧化酶
图3 甲基营养菌同化HCHO的丝氨酸途径[21]
Ribulose 5-P：5-磷酸核酮糖；3-Hexulose 6-P：6-磷酸己酮糖；Fructose 6-P：6-磷酸果糖；Dihydroxyacetone P：磷酸二羟丙
酮；Glyceraldehyde 3-P：3-磷酸甘油醛
图4 细菌同化HCHO的核酮糖单磷酸途径[3]
生命科学 第24卷270
形成 1,6-二磷酸果糖 (FBP)，FBP随后断裂形成二
个 C3化合物，3-磷酸甘油醛 (GAP)和DHAP。DHAP
之后被用于细胞组成成分的合成，而 GAP则进入
甲醛同化作用的第三阶段。这一阶段主要是 GAP
和 F6P通过一系列反应再生固定甲醛的受体 Ru5P。
由于 RuMP途径的所有反应均是放能的，所以它同
化甲醛的效率比丝氨酸途径高得多。
洋葱假单胞菌 (Burkholderia cepacia TM1)可分
解木质素，在木质素分解过程中，甲醛在香草酸去
甲基化酶催化的反应中释放出来，由于甲醛的毒
性，香草酸的脱甲基化反应似乎是木质素分解的限
速步骤。在洋葱假单胞菌中过量表达 HPS和 PHI
可以提高其利用木质素的能力 [23]。恶臭假单胞菌
(Pseudo-monas putida S12) 是一种对溶剂有抗性的
细菌，有氧化甲醛形成甲酸和 CO2的能力。将耐热
甲基营养菌的 hps和 phi基因引入恶臭假单胞菌建
立甲醛同化和循环氧化途径，改造的工程菌株能有
效利用甲醇和甲醛作为辅助底物产生自由能和
NAD(P)H，减少细菌生长过程中糖的用量，提高恶
臭假单胞菌作为生物转化器的经济效益 [23]。酶法很
适于合成在特殊位置带有 13C标记的糖类物质，已
有研究证明用 [1-13C]-甲醛作为 C1的供体在体外通
过 HPS和 PHI催化的连续反应可用来合成 [1-13C]-6
磷酸果糖，[1-13C]-6磷酸果糖随后通过化学或生物
化学的修饰方法可转化成各种酮醣和醛醣 [23]。
2　甲基营养微生物及其甲醛代谢途径关键酶
在环境生物技术中的应用
2.1　利用甲基营养微生物制备生物滤器或滤池治理
甲醛污染
甲基营养微生物有很高的甲醛代谢能力，利用
甲基营养菌的这个特点可以开发微生物甲醛降解技
术。盆栽植物的土壤可吸附甲醛，土壤中有丰富的
微生物包括甲基营养微生物，以此为理论依据有研
究用混合肥料、蛭石粉及陶瓷颗粒做成生物过滤池，
经过生物滤池过滤后，空气中的甲醛被滤池中的微
生物降解，从而达到净化甲醛污染空气的效果，实
验结果表明在入口处通入含有 5~207 mg/m3甲醛的
空气时，60%的甲醛能以 406 L/h的速度被 5 cm高
的生物过滤池代谢掉，去除效率随生物过滤池高度
的增加而增加 [5]。这个结果证实生物过滤池在治理
甲醛污染方面具有潜在的应用价值。
将接种微生物的生物膜滴滤塔 (TF)和活性污
泥 (污水沟泥 )生物反应器 (AS)整合成一个生物降
解系统用于处理甲醛污染空气效果更好。实验结果
表明当流入的甲醛在 20~50 mg/m3范围时，TF降
解甲醛的效率为 100%，TF可以完全去除废气中低
浓度 (低于 50 mg/m3)的甲醛，甲醛浓度在 20~300
mg/m3范围时，这个生物降解系统的降解速率为
4.0~40.0 mg/h，降解效率为 66.7%~100%。当气体
甲醛流入量低于 200 mg/m3时，TF降解甲醛的总量
比AS高；但是在气体甲醛流入量超过 200 mg/m3时，
TF降解甲醛的总量比 AS少。当流入的甲醛超过
50 mg/m3时，TF与 AS联合使用比单独使用 TF对
甲醛的降解更有效 [24]。
2.2　利用微生物的甲醛代谢策略开发修复甲醛污水
的治理技术
微生物降解甲醛的代谢策略也被用来开发甲醛
污染水的治理技术，混合培养的恶臭假单胞菌和洋
葱假单胞菌在人造介质中对甲醛和甲酸的分解有很
高的效率，也能降解出现在三聚氰胺甲醛树脂厂排
放的污水中的甲醛、甲醇和丁醇。实验结果证实，
甲基营养多形汉森酵母也能有效处理污水中的甲醇
和甲醛。将多形汉森酵母接种于生物污水处理站的
活性污泥中，修饰活性污泥并使其仍保持着原来的
结构和活性，二者的协同作用增强了对工业污水中
甲醛的生物降解能力 [6]。
2.3　利用微生物的甲醛氧化酶开发净化室内甲醛污
染空气的酶学新技术
最近有些研究以酶为基础开发室内空气污染甲
醛的生物处理技术。从突变体多形汉逊酵母 C-105
细胞中分离的甲醛氧化酶被固定到藻酸钙凝胶小
珠上，与藻酸钙凝胶结合后的甲醛氧化酶仍有
85%~90%的活性。研究表明用固定的甲醛氧化酶
或过表达甲醛氧化酶的酵母突变体细胞构建恒流生
物反应器，可用来对空气中的甲醛进行生物转化。
把固定了甲醛氧化酶的凝胶小球装入玻璃柱中，可
制作流动床生物反应器 (FBBR)，FBBR系统的凝胶
小球被悬浮在磷酸盐缓冲液中，在进行甲醛污染气
体处理实验时，用含有凝胶不含酶的圆柱作对照，
含有甲醛的空气通过圆柱从底部到达顶部，在 20
ml反应体系出口处的甲醛浓度小于 0.03 ppm，与
入口处的甲醛浓度相比降低了 90%，在 750 ml反
应体系出口处的空气完全不含有甲醛。对照圆柱排
出气体甲醛浓度 (0.09~0.1 ppm)虽然比入口处的低，
但与测试圆柱相比仍很高 [6]。
甲醛氧化酶与藻酸胶结合去除室内空气污染甲
醛的方法不仅使气体相中的甲醛能被有效地进行生
张　韦，等：甲基营养微生物的甲醛代谢途径及其在环境生物技术中的应用第3期 271
物转化，且在连续 FBBR液相中的甲醛也处于安全
的水平。处理过程结束后，生物反应器中储存的物
质可用作为有机肥料，因为凝胶小珠和液相中不含
有害成分，因此整个处理过程被认为是完全的环境
友好型。用固定化酶能开发各种类型的生物反应器，
用来处理含有不同浓度甲醛的空气 [6]。
2.4　利用重组甲醛脱氢酶开发检测污染甲醛浓度的
分析试剂盒
含有 6~8个拷贝甲醛脱氢酶基因的耐热多形汉
森酵母基因工程菌，因为过量表达甲醛脱氢酶能耐
受培养基中 15~20 mmol/L的甲醛，有研究用纯化
的甲醛脱氢酶开发试剂盒“Formatest”，对甲醛浓
度用酶法进行分析检测。和已知的分析方法相比，
这个分析过程更简单：不需要从测试样本中提取甲
醛，再将其转变为化学加合物，分析时间缩短。用
这个方法检测含有甲醛的废弃物、室内空气、工业
产品、疫苗和鱼产品，结果获得的数据与用已知的
化学方法获得的数据一致。另一个具有甲醛氧化作
用的乙醇氧化酶，可从多形汉逊酵母的突变体 (gcr1
catX)中分离出来，对废弃物和工业产物中甲醛的
酶法检测也有效。乙醇氧化酶能氧化甲醇，也能在
体外催化以水化物形式存在的甲醛 (HO-CH2-OH)
的氧化作用，这种酶被成功用于鳕鱼产物中甲醛含
量的分析 [6]。
2.5　用甲醛氧化酶和甲基营养酵母细胞开发甲醛的
电化学生物传感器
甲醛脱氢酶和乙醇氧化酶的纯化制剂及过表达
这些酶的多形汉逊酵母细胞被某些研究用来构建甲
醛的电化学生物传感器，用于甲醛的检测。这个分
析方法的可靠性在污水、药品和含有甲醛的工业产
品中进行了测试。环境检测数据证实用粗提的乙醇
氧化酶或甲基营养酵母细胞可开发成有效氧化甲醛
的生物反应器，与甲醛脱氢酶为基础的生物传感器
联合使用能准确地控制甲醛的生物转化过程 [6]。
2.6　利用甲基营养细菌的甲醛同化途径提高转基因
植物甲醛代谢能力的基因工程
室内栽培植物可清除甲醛污染，因此许多研究
专注于筛选甲醛修复能力较好的植物 [25-26]。但这种
尝试在某些研究 [26]结果看来是无意义的，因为极
低浓度的甲醛胁迫都会明显降低植物叶片的气孔传
导率，导致植物吸收甲醛效率严重下降。由于自然
界中存在植物的甲醛代谢能力远远不能达到修复甲
醛污染的要求。最近，有研究开始尝试利用基因工
程手段提高植物代谢甲醛和修复甲醛污染的能力，
研究结果证明过量表达植物的甲醛脱氢酶 FALDH
可以提高植物降解和吸收甲醛的能力 [27-28]。
甲基营养型细菌的 RuMP途径和植物的卡尔文
循环 (图 5)拥有相同的代谢特征： (1)这两种代谢
Ru5P：5-磷酸核酮糖；RuBP：1,5-二磷酸核酮糖；3-PGA：3-磷酸甘油醛；FBP：1,6-二磷酸果糖；F6P：6-磷酸果糖；G6P：
6-磷酸葡萄糖
图5 利用细菌RuMP途径构建植物光合甲醛同化途径[29]
生命科学 第24卷272
途径都能将一碳单位固定为 Ru5P；(2)它们的固定
反应最终产物都是 F6P；(3) Ru5P都是通过 F6P的
重排反应再生。根据这些事实，我们最近把甲基营
养菌 RuMP途径中的甲醛固定反应整合到卡尔文循
途径中，利用 HPS和 PHI构建一条甲醛的光合作
用同化途径，把甲醛直接变成植物的碳源。研究结
果说明甲基营养菌 (M. gastri MB19 )的 HPS和 PHI
可在转基因拟南芥和烟草中过量表达，HPS和 PHI
在转基因植物中表达后通过叶绿体的一段信号肽可
定位到叶绿体基质中，从而增强转基因植物对甲醛
的抗性和同化甲醛的能力，这是首次在植物中建立
的光合甲醛同化途径 [29]。这一结果开创了一种利用
植物治理甲醛污染和同化由生物气和天然气衍生
C1化合物的新策略。
利用 FALDH策略对甲醛进行脱毒时需要
NAD+和谷胱甘肽作为辅因子，而 RuMP途径固定
甲醛不需要消耗能量或提供任何辅因子，因此利用
RuMP途径提高植物代谢甲醛能力的策略比利用
FALDH策略更有优势。研究表明，将来源于 M.
gastri MB19的 hps和 phi基因通过基因工程操作构
建成嵌合基因 hps-phi在大肠杆菌中表达，产生的
融合蛋白 HPS/PHI在室温下具有 HPS和 PHI两种
酶的活性，另外，HPS和 PHI的融合还大幅度地增
加了这两个酶催化连续反应的效率 [30-31]。本实验室
在天竺葵叶绿体中过量表达 HPS/PHI融合蛋白，在
转基因天竺葵叶绿体中创造光合甲醛同化途径 [32]。
H13CHO示踪试验结果表明，H13CHO被转基因植
物吸收后通过 HPS/PHI催化的反应产生 [1-13C]
F6P，[1-13C] F6P被异构化转变成 [1-13C] G6P，[1-13C]
G6P随后能够进入细胞代谢网络用于合成细胞的组
成成分。用 H14CHO做示踪试验的结果证明，转基
因植物能将更多源于 H14CHO的放射活性掺入细胞
不溶性组分。转基因天竺葵对气体和液体甲醛的抗
性增强，其吸收甲醛的速率及修复甲醛污染能力显
著提高。利用 hps-phi融合基因进行遗传操作在一
次转化事件中可以把两个基因同时导入转基因植物
中。因此，hps-phi融合基因的应用为开发对甲醛污
染有较强修复能力的功能性观赏植物遗传工程提供
一种简便快捷的策略。
3　展望
将甲基营养微生物 C1代谢途径引入异源生物
中，可以使 C1化合物有希望作为生物技术过程中
的碳源。因为 HPS和 PHI分别催化的连续反应中
的底物和产物 Ru5P和 F6P几乎是所有生物中都存
在的一般代谢中间产物，所以通过将 HPS和 PHI
转入异源生物体很容易构建 RuMP途径。而且 hps-
phi嵌合基因能通过一个转化步骤转入各种生物中，
因此 HPS和 PHI在生物技术中的应用在将来还会
增加。用甲基营养微生物及其代谢关键酶开发降解
甲醛的生物过滤器或生物反应器在不久的将来有望
应用到实际生活中，用于净化室内空气。
用分子生物学方法，把微生物的甲醛固定途径
整合到植物的卡尔文循环即二氧化碳固定途径中，
使植物也能同化甲醛，把有毒的一碳化合物甲醛变
成它的碳源，这些研究成果开创了利用植物光合作
用途径同化甲醛的理论和方法。甲烷是仅次于 CO2
的一种重要的温室气体，自早期工业时代以来，它
在大气中的含量已经增至 3倍，并且影响了同温层
的臭氧和水蒸汽水平。甲烷重要的来源是生物界，
现在普遍认为产甲烷厌氧菌的最大来源是湿地和稻
田、垃圾场、污水处理厂以及反刍动物和白蚁的消
化系统。目前已从甲烷菌中成功克隆到编码甲烷氧
化酶的基因 [33]，如果可以在植物中过量表达来自甲
烷菌的甲烷氧化酶，把植物中释放的甲烷氧化成甲
醇，甲醇再被植物中已存在的甲醇或乙醇氧化酶氧
化为甲醛，那么它就可以通过安装在植物中的甲醛
光合途径同化，因此，在转基因植物中已建立的甲
醛光合同化途径有望应用于同化其他一碳化合物如
甲烷和甲醇。如果在转基因 C3植物中把 CO2转变
成甲酸，然后还原成甲醛，那么它就可以通过安装
在 C3植物中的甲醛光合途径同化，因此，在转基
因植物中已建立的甲醛光合途径还有可能应用于
C3植物光合作用的改良。
[参　考　文　献]
[1] Cooper G, Kimmich N, Belisle W, et al. Carbonaceous
meteorites as a source of sugar-related organic compounds
for the early Earth. Nature, 2001, 414(6866): 879-83
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