大肠杆菌制造汽油,能力和品质都提高了!

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尾气污染——这个老对手正化身雾霾,阴魂不散地缠着很多城市。近年来混合能源汽车渐渐走进百姓家,生物能源由于其绿色、清洁,成了希望之星。

生物能源来自小小的大肠杆菌,这些代谢工程界的微型战士可以在细胞内生成醇类燃料——异戊烯醇。异戊烯醇是一种有汽油特性的化合物,可以与汽油混合使用。然而这些吃苦耐劳的大肠杆菌面对的最大威胁,恰恰是这些燃料本身。众所周知,75%的乙醇是灭菌能手,而异戊烯醇更是制作杀虫剂的生物毒性物质。
那么问题来了:大肠杆菌要怎么在如此恶劣的环境中,成长为最强生物燃料制造商呢?

近来,一个囊括了来自新加坡南洋理工大学、新加坡国立大学和加州大学伯克利分校研究者的生物工程团队给出了答案:关键在于提升耐受力。这项研究近日发表在美国微生物学会的mBio®杂志上。

研究人员正在用大肠杆菌生产生物汽油。 图片来源:eurekalert.org

这支国际团队发现了一种加快异戊烯醇向胞外转运的关键蛋白,可成功提升大肠杆菌生产燃料的能力和品质。这项研究在工业化量产可再生生物汽油的菌株开发方面迈出了至关重要的一步。

安卓拉·穆库帕蒂艾(Aindrila Mukhopadhyay)是这项研究的主要作者,在加州爱莫利维尔市的联合生物能源研究所(JBEI)主持此项研究,同时是劳伦斯伯克利国家实验室的双聘教授。“溶剂样化合物(异戊烯醇)会抑制微生物生长,对此越早意识到越好。”穆库帕蒂艾说,“我们希望通过系统生物学手段,观察这种影响——我们能否设计出一种既能生产、又能耐受异戊烯醇的工程菌呢?”

提高耐受性,是将生物燃料生产水平从实验室级别提高至工业级别的关键。工业生产需要一种强壮的菌株——不仅能坚持不懈地在尽可能长的时间内生产燃料,又能禁得起九九八十一难,不惧生产过程带来的产物累积。

科学家们首先在培养非产能型大肠杆菌菌株的环境中人为添加异戊烯醇,刺激菌株。当细菌产生反应,研究小组便检测全基因组转录出的信使RNA,筛选随之变化的基因。他们在所有上调基因中选择了40个——这些基因或多或少有助于缓解毒性反应。然后在生产异戊烯醇旺盛的菌株里,分别过表达这40种基因,发现其中8个可以挽救细菌于水火,而MetRMdlB基因更是效果拔群。

MetR是一种表达生物合成调节因子的基因,能增加55%的异戊烯醇产量;而MdlB是转运蛋白,短期内能使产量增加12%;如果持续保持细胞内MdlB转运蛋白的高水平,原始菌种的产量增长率甚至可达到60%。

“关于转运蛋白MdlB的发现真正引起了我们的兴趣,因为它有将终产物输出细胞的潜能,” 穆库帕蒂艾说,“在研究中我们发现,一旦有足够多的乙醇外排出胞,就会发生液相分离,难以返回胞体。”换句话说,这些生物燃料将漂到水相上层,与液体培养基分离,彻底远离细菌,还它们适宜生存的培养环境。不仅如此,MdlB蛋白还被发现是定向进化实验中的优秀候选分子,这给研究带来了意外惊喜。

代谢工程,顾名思义是将生物代谢引入工程水平乃至工业领域。当更有效率的转运蛋白和其它提升耐受性的基因强强联合,就可以创造出理想中的强壮菌株,满足生物燃料工业化生产的需求。关于生物燃料的前景,安卓拉认为:“生物燃料是可替代性能源解决方案阵营中的关键一员,可以立即应用于基础建设。”相信在不远未来的某一天,异戊烯醇——这种汽油类似物——可以真正出现在大街小巷的加油站,还我们一片蓝天。(编辑:粉条er

文章题图:sciencedaily.com

编译来源

eurekalert.org,Engineered for tolerance, bacteria pump out higher quantity of renewable gasoline

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