合成细菌可利用可再生能源将甲醇转化为有用的化学品

化工行业严重依赖化石资源来生产塑料、染料和人造香料，每天消耗超过一百万吨的化石资源，约占全球排放量的 5%。朱莉娅-沃霍特（Julia Vorholt）教授领导的研究人员正在努力减少这种依赖，他们开发的合成细菌可以将"绿色甲醇"--利用可再生能源从二氧化碳和水中产生的甲醇--转化为有用的化学品，从而最大限度地减少该行业的碳足迹。图片来源：Sean Kilian

以甲醇为食的细菌（称为嗜甲菌）是这些研究工作的核心。甲醇只含有一个碳原子，是最简单的有机分子之一，可由温室气体二氧化碳和水合成。如果合成反应的能源来自可再生资源，甲醇就被称为"绿色"。

沃霍特研究小组的博士后研究员迈克尔-莱特（Michael Reiter）说："存在天然的营养甲烷菌，但尽管研究人员付出了大量努力，在工业上利用它们仍然很困难。沃霍特的研究小组数年来一直在研究如何使这种在糖上生长的模式菌具有代谢甲醇的能力。"

这是一项重大挑战，因为它需要彻底重组细胞的新陈代谢。最初，研究人员使用计算机模型模拟了这种变化。根据这些模拟，他们选择删除两个基因，并引入三个新基因。其结果是，细菌可以吸收甲醇，尽管吸收量很小。

他们在实验室的特殊条件下继续培养这种细菌一年多，直到微生物能够利用甲醇生产出所有细胞成分。在大约 1000 多代的过程中，这些人工合成的养甲菌变得越来越高效，最终在只用甲醇喂养的情况下，每四个小时就能增加一倍。生长速度的提高使这种细菌具有了经济价值。

正如沃霍特团队在最近发表的论文中所描述的，甲醇利用效率的提高是由几种随机发生的突变造成的。这些突变大多导致各种基因丧失功能。这乍一看令人吃惊，但仔细观察就会发现，由于基因丧失了功能，细胞可以节省能量。例如，有些基因突变会导致重要生化反应的逆反应失败。这就取消了多余的化学转换，优化了细胞中的新陈代谢通量。

为了探索合成养甲虫在生物技术生产工业相关大宗化学品方面的潜力，沃霍特和她的团队为细菌配备了四种不同生物合成途径的额外基因。他们在研究中发现，这些细菌确实在所有情况下都能生产出所需的化合物。

对于研究人员来说，这清楚地证明了他们的工程细菌能够实现最初的承诺：这种微生物是一种高度通用的生产平台，可以根据"即插即用"原则将生物合成模块插入其中，促使细菌将甲醇转化为所需的生化物质。

不过，研究人员仍需大幅提高产量和生产率，才能使细菌的使用具有经济可行性。沃霍特和她的团队最近获得了一笔创新基金，以进一步扩大应用计划，并选择首先关注的产品。

编译来源：ScitechDaily