為了生產(chǎn)塑料、染料或人工香料等各種化學(xué)品，化學(xué)工業(yè)目前嚴(yán)重依賴原油等化石資源。“全球每年消耗 5 億噸，每天消耗超過 100 萬噸，”蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院微生物研究所教授 Julia Vorholt 表示。“由于這些化學(xué)轉(zhuǎn)化是能源密集型的，化學(xué)工業(yè)的實際二氧化碳排放量甚至比石油大 6 到 10 倍，約占全球總排放量的 5%。”她和她的團(tuán)隊正在尋找減少化學(xué)工業(yè)對化石燃料依賴的方法。

綠色甲醇

以甲醇為食的細(xì)菌(稱為甲基營養(yǎng)菌)是這些努力的核心。甲醇僅含有一個碳原子，是最簡單的有機(jī)分子之一，可以由溫室氣體二氧化碳和水合成。如果該合成反應(yīng)的能量來自可再生能源，則甲醇被稱為“綠色”。

“天然的甲基營養(yǎng)菌是存在的，但盡管進(jìn)行了大量的研究工作，但在工業(yè)上使用它們?nèi)匀缓芾щy，”Vorholt 研究小組的博士后研究員 Michael Reiter 說，該研究小組的研究對象是生物技術(shù)上廣為人知的模型細(xì)菌大腸桿菌。多年來，Vorholt 的團(tuán)隊一直在追求讓以糖為食的模型細(xì)菌具備代謝甲醇的能力。

新陳代謝的徹底重組

“這是一個重大挑戰(zhàn)，因為它需要徹底重組細(xì)胞的新陳代謝，”Vorholt 說。最初，研究人員使用計算機(jī)模型模擬了這種變化。基于這些模擬，他們選擇刪除兩個基因并引入三個新基因。 “因此，細(xì)菌可以吸收甲醇，盡管數(shù)量很少，”賴特說。

他們在實驗室的特殊條件下繼續(xù)培養(yǎng)細(xì)菌一年多，直到微生物能夠從甲醇中產(chǎn)生所有細(xì)胞成分。在大約 1,000 代的過程中，這些合成的甲基營養(yǎng)菌變得越來越高效，僅用甲醇喂養(yǎng)時，最終每四個小時翻倍。 “生長速度的提高使細(xì)菌在經(jīng)濟(jì)上變得有趣，”沃霍爾特說。

通過功能喪失進(jìn)行優(yōu)化

正如 Vorholt 團(tuán)隊在他們最近發(fā)表的論文中所描述的那樣，幾種隨機(jī)發(fā)生的突變是甲醇利用效率提高的原因。這些突變中的大多數(shù)導(dǎo)致各種基因功能喪失。乍一看，這令人驚訝，但仔細(xì)觀察就會發(fā)現(xiàn)，由于基因功能喪失，細(xì)胞可以節(jié)省能量。例如，一些突變會導(dǎo)致重要生化反應(yīng)的逆反應(yīng)失敗。“這消除了多余的化學(xué)轉(zhuǎn)化并優(yōu)化了細(xì)胞中的代謝通量，”研究人員寫道。

為了探索合成甲基營養(yǎng)菌在工業(yè)相關(guān)大宗化學(xué)品生物技術(shù)生產(chǎn)中的潛力，Vorholt 和她的團(tuán)隊為細(xì)菌配備了四種不同生物合成途徑的額外基因。在他們的研究中，他們現(xiàn)在表明細(xì)菌確實在所有情況下都產(chǎn)生了所需的化合物。

多功能生產(chǎn)平臺

對于研究人員來說，這清楚地證明了他們改造的細(xì)菌能夠?qū)崿F(xiàn)最初的承諾：微生物是一種高度通用的生產(chǎn)平臺，可以根據(jù)“即插即用”的原理插入生物合成模塊，促使細(xì)菌將甲醇轉(zhuǎn)化為所需的生化物質(zhì)。

然而，研究人員仍然需要顯著提高產(chǎn)量和生產(chǎn)力，以實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)上可行的細(xì)菌使用。沃霍爾特和她的團(tuán)隊最近獲得了一項創(chuàng)新基金，“以進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用計劃并選擇首先關(guān)注的產(chǎn)品”，沃霍爾特說。

當(dāng)瑞特談到如何優(yōu)化生物反應(yīng)器中細(xì)菌的培養(yǎng)時，他充滿了熱情。 “考慮到氣候變化的挑戰(zhàn)，顯然需要化石資源的替代品，”他說。 “我們正在開發(fā)一種不會向大氣中排放額外 CO 2的技術(shù)，”Reiter 說道。而且，由于除了綠色甲??醇之外，合成甲基營養(yǎng)菌的生長和產(chǎn)品不需要任何額外的碳源，因此它們可以“生產(chǎn)不會給環(huán)境造成負(fù)擔(dān)的可再生化學(xué)品”。