废物变原料，细菌发酵或解决化妆品对棕榈油的依赖

棕榈油是全球化妆品产业最重要的原料来源之一，辛酸、癸酸、月桂酸等中链脂肪酸（medium-chain fatty acids，MCFAs）大量提取自棕榈仁油。然而，棕榈种植业与热带雨林砍伐、生物多样性丧失之间的关联，始终是行业难以回避的供应链痛点。一项来自加拿大多伦多大学的最新研究，或许正在为这一困境提供出路。

 

 

目标分子：中链脂肪酸

 

中链脂肪酸通常指碳链长度为 6 至 12 个碳原子的脂肪酸，包括己酸、辛酸、癸酸和月桂酸等，在化妆品、农业饲料、抗菌剂和表面活性剂领域均有广泛应用，全球市场规模约 30 亿美元。多伦多大学化学工程与应用化学系教授 Chris Lawson 尤其看重辛酸（octanoic acid，C8）的潜力，因为棕榈仁油中辛酸含量相对有限，市场供给紧张，价值更高。

 

目前，MCFAs 的工业生产主要依赖棕榈仁油提取，而棕榈油作为大宗商品，其可持续来源的可追溯性极难保证。部分企业曾尝试以基因改造的大肠杆菌或酵母菌替代，但这类方法成本高昂，且仍需依赖精制糖原料，并未从根本上解决资源消耗问题。

 

 

链延伸菌与代谢之谜

 

Lawson 团队的研究对象是一类被称为“链延伸菌”（chain-elongating bacteria，CEBs）的厌氧微生物。这类细菌天然栖息于地下深处或人体消化道，能够以有机废弃物为食料，经由逆向 β 氧化（reverse β-oxidation，RBO）循环逐步延伸碳链，产出 MCFAs。其天然底物来源意味着，理论上可将食品废料、乳业副产品等低值有机废弃物直接转化为高附加值化学品。

 

然而，CEBs 的产物组成历来难以预测，实际发酵中往往产出低价值的丁酸（butyrate，C4），而非目标产物辛酸（C8）。

 

这一“产物不稳定”问题长期制约着 CEBs 的工业化应用，此次在 Nature Microbiology 发表的研究，正是针对这一核心难题的系统性突破。

 

 

CoA 转移酶：产物选择的分子开关

 

Lawson、博士生 Ian Gois、博士毕业生 Connor Bowers、博士后 Byung-Chul（Roy）Kim 和研究科学家 Rob Flick 组成的团队，综合运用 ¹³C 同位素示踪、蛋白质组学、酶活性测定和代谢建模，系统揭示了 CEBs 产物链长的决定机制。

 

图：团队的三名成员从左至右为 Connor Bowers（ChemE MASc 2T5）、Ian Gois（ChemE 博士生）和 Chris Lawson 教授（ChemE）

 

研究发现，乳酸与乙酸的底物摩尔比（acetate-to-lactate ratio）是调控产物链长的关键变量：较高的乙酸比例有利于丁酸积累，而在乙酸受限条件下，能够产出 MCFAs 的菌株会通过“乙酸回收”策略最大化乳酸利用率，进而持续推动碳链延伸。

 

更关键的发现在于辅酶 A 转移酶（CoA transferase，CoAT）的底物特异性差异。CoAT 是 RBO 循环的末端酶，负责将 CoA 基团从酰基-CoA 转移至乙酸，使产物得以释放，同时再生乙酰-CoA 以维持循环。研究证明，能够产出 MCFAs 的 CEBs 菌株携带的 CoAT 可识别已达 6 至 8 个碳原子的较长酰基底物，驱动碳链继续延伸；而仅产丁酸的菌株所携带的 CoAT 版本，只能识别较短底物，碳链延伸因此提前终止。CoAT 的底物特异性差异，构成了 CEBs 产物命运分叉的分子根源。

 

图：RBO 代谢通路示意图

 

废料走向工厂

 

Lawson 团队围绕 CEBs 的产业化同步推进了多项研究。

 

除上述 Nature Microbiology 论文外，该团队与博士生 Ethan Agena 合作，在 ACS Synthetic Biology 发表了针对 Clostridium kluyveri 的质粒表达系统，为后续基因工程改造 CEBs 提供了工具基础，预计可将产物链长拓展至 9 至 12 个碳。

 

此外，博士生 Diana Dyussekenova 和 Jasmeen Parmar 牵头、与 Jay Werber 教授合作完成的第三篇论文，已发布于 bioRxiv 预印本平台，聚焦于工业级生物反应器的放大工艺，以来源分类有机废料为底物，系统验证了长期生产与产品回收的可行性。

 

该团队成员 Bowers、Agena 与博士生 Joel Howard 已联合创立初创公司 SymBL Innovations，推进技术商业化。该公司获得了 Genome Canada 与 Ontario Genomics 通过区域基因组应用合作伙伴计划（GAPP）的资助支持。

 

 

Lawson 团队还参与了由 Ontario Water Consortium、NSERC 和 Mitacs 联合支持的“废物转化学品联盟”（Waste to Chemicals Alliance）。

 

 

编辑手记

 

这项研究对化妆品行业的意义，在于提供了一条以有机废料替代棕榈仁油、生产高纯度 MCFAs 的潜在工业路径。细菌发酵路线在可追溯性和碳足迹方面具有天然优势。辛酸作为化妆品乳化体系中的功能性脂肪酸，同时也是部分抗菌活性物的前体，其非棕榈来源的供应缺口尤为值得关注。目前，该技术仍处于从实验室迈向中试规模的阶段，距离大规模商业化供应尚有距离。随着代谢机制的阐明和遗传工具的完善，相信这一平台的可控性也将快速提升。

 

 

综合参考自多伦多大学工程学院官方新闻稿、Nature Microbiology 论文 DOI: 10.1038/s41564-026-02320-8 等资料

 

来源：

作者：John Xie