生物活性化合物在化妆品和医药行业具有极其重要的应用价值，然而传统依赖植物和动物组织提取的方法存在诸多弊端，如生产效率低下、成本高昂以及有害废弃物排放等问题。随着合成生物学等现代生物技术的飞速发展，微生物合成技术为天然活性化合物的生产开辟了全新的路径。西安交通大学化工学院费强教授团队长期致力于非粮生物质资源生物转化技术研究及生物基产品高效合成的基础研究与应用开发，近期在生物催化转化甲烷和二氧化碳（CO₂）合成活性物质方面取得重要进展。

生物转化甲烷制备细胞多糖

多糖是一类由醛糖或酮糖单体通过糖苷键连接而成的天然高分子化合物，具有广泛的应用前景和快速增长市场规模，尤其是在化妆品和医用领域。然而，传统的植物提取方法效率较低且成本较高，而动物源多糖则存在病原体污染和免疫原性等安全风险。因此，开发微生物替代制备技术已成为行业发展的迫切需求。费强教授团队联合西北大学范代娣教授团队，通过太空育种、适应性进化等非理性诱变手段，成功选育出高产细胞多糖的嗜甲烷菌株。经过进一步优化培养条件和发酵工艺，该菌株多糖含量可提升至50%以上，为现有最高报道值（图1）。理化测试分析表明，甲烷基多糖是由葡萄糖单体通过均一聚合形成，其分子量达280kDa。这种多糖具备优良的化学稳定性和机械加工性能。此外，其结构中含有多种糖苷键形成包含直链和支链的聚合物，可显著增强了其生物反应活性。

图1 甲烷基多糖的生物合成

为深入研究甲烷基多糖的生物活性方面，研究团队开展了化学测试和细胞验证实验。结果显示，甲烷基多糖的自由基清除能力显著高于阿魏酸以及石斛、茯苓、银耳等天然植物源多糖。巨噬细胞培养实验进一步证明，添加甲烷多糖不仅能促进正常细胞的增殖，还可以通过降低脂质过氧化物含量和修复抗氧化酶活性，将氧化损伤胁迫下细胞的存活率提高近20%（图2）。这一结果有力地证明了甲烷基多糖具高抗氧化活性，为其在生物医用材料领域应用奠定基础。相关研究成果已发表于国际知名期刊《Journal of Agricultural and Food Chemistry》，西安交通大学为第一通讯单位，费强教授、傅容湛教授、范代娣教授为共同通讯作者。论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.jafc.5c01087

图2 甲烷基多糖细胞抗氧化系统调节功能验证

化学生物耦合催化CO₂制备多碳化合物

全球蔗糖年需求量旺盛，其在制药行业广泛用作甜味剂、黏合剂、包衣材料等；法尼烯则因其抗氧化和香气特性，在化妆品行业中被用于香水、护肤品及香精调配，全球年需求量约为数千吨到万吨级别。然而，传统的植物压榨提取方法效率低且成本高。费强教授团队与北京化工大学谭天伟院士和卫敏教授合作，以CO₂为光催化进料气，创建了光催化CO₂还原制甲烷-嗜甲烷工程菌生物制造的串联耦合策略。团队采用层状双氢氧化合物拓扑衍生策略，设计合成了一种Ni-ZnO光催化剂（图3），该催化剂在低浓度CO₂（50%）中表现出卓越的性能，甲烷生成速率达1539 μmol/g/h，选择性高达90%，在低浓度CO₂制甲烷中生成速率处于最高水平。

图3 镍掺杂氧化锌高效催化二氧化碳还原为甲烷

在此基础上，研究团队以光催化还原生成的甲烷为原料，成功构建了嗜甲烷菌细胞工厂，用于高效制备高附加值的活性化合物。通过强化蔗糖合成及外排系统、重构法尼烯途径及强化碳代谢通量（图4），实现了化学催化CO₂高选择性制备甲烷与生物合成法尼烯和蔗糖的系统匹配。这一成果不仅为蔗糖和法尼烯的绿色生产提供了全新的技术路径，也为CO₂的高值化开发利用开辟了新的方向。

图4 构建嗜甲烷菌细胞工厂生物合成蔗糖和法尼烯

上述研究成果受到国家重点研发计划、国家自然科学基金、陕西省杰出青年基金、陕西科技计划、高等学校学科创新引智计划等项目资助，以及陕西高校青年创新团队和西安交通大学分析测试中心等平台支撑。相关研究成果已在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上发表，化学工程与技术学院费强教授与北京化工大学卫敏教授、谭天伟院士为共同通讯作者。

文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202423995