振奮人心！科學(xué)家改造菌可產(chǎn)生大量合成橡膠
2023-07-24
7120核心提示：細(xì)菌降解橡膠并不稀奇，但細(xì)菌能“呼出”橡膠，這倒是個振奮人心的消息。近日，來自美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)的生物化學(xué)家Nicole Buan
細(xì)菌降解橡膠并不稀奇，但細(xì)菌能“呼出”橡膠，這倒是個振奮人心的消息。近日，來自美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)的生物化學(xué)家Nicole Buan等人在《應(yīng)用與環(huán)境微生物學(xué)》雜志上發(fā)表論文稱，他們通過基因工程改造了一種產(chǎn)甲烷菌。這種改造菌可產(chǎn)生大量合成橡膠的主要化學(xué)成分——異戊二烯，且產(chǎn)量遠(yuǎn)超其他微生物。
人們每年要從石油中提煉約80萬噸異戊二烯，大部分用于生產(chǎn)合成橡膠。為了減少我們對化石燃料的依賴，研究人員一直在尋找可再生的化學(xué)物質(zhì)來源，其中包括我們熟悉的酵母、大腸桿菌和藍(lán)藻等。然而，用上述微生物生產(chǎn)異戊二烯，不僅需要昂貴的原料，還需耗時耗力建造新設(shè)施。
產(chǎn)甲烷菌的生長無需光線和氧氣。它不僅能輕易吞噬生產(chǎn)過程中的廢物（包括廢水），還會自然地將其5%的代謝能量用于構(gòu)建類異戊二烯（基本成分為異戊二烯的化合物）細(xì)胞膜。多年來，Buan一直試圖在產(chǎn)甲烷菌將類異戊二烯整合到細(xì)胞膜之前，從中提取類異戊二烯。獲得資助后，Buan便馬不停蹄地開展了這次研究。
研究始于一種可將10%碳轉(zhuǎn)化為異戊二烯的楊樹基因。這種基因可指導(dǎo)異戊二烯合成酶的形成，而異戊二烯合成酶會作用于二甲基烯丙基焦磷酸鹽（DMAPP）。DMAPP由一個異戊二烯分子和一個焦磷酸分子組成，通常會成為產(chǎn)甲烷菌細(xì)胞膜的一部分。在此之前，異戊二烯合成酶將切斷焦磷酸分子，進而讓微小的異戊二烯分子以氣體形式自由地通過細(xì)胞膜逸出。
在新研究中，Buan將異戊二烯合成酶基因的改良版本轉(zhuǎn)移到了乙酸甲烷八疊球菌（Methanosarcina acetivorans）中。結(jié)果表明，乙酸甲烷八疊球菌在吸食甲醇后，可將4%的碳轉(zhuǎn)化為異戊二烯呼出，其產(chǎn)量是表現(xiàn)最好的同類細(xì)菌的179倍。
那么，改造后的產(chǎn)甲烷菌在沒有標(biāo)準(zhǔn)DMAPP供應(yīng)的情況下能否正常存活、生長呢？研究小組發(fā)現(xiàn)，其增殖速率與甲烷產(chǎn)量均未受到影響。
事實上，當(dāng)產(chǎn)甲烷菌呼出異戊二烯時，它的總生物量增加了。研究人員認(rèn)為，改造后的產(chǎn)甲烷菌將其基因表達(dá)和新陳代謝與另一條支持生長的能量路徑進行了重連。
Buan說：“我們將改造后的細(xì)菌稱為異戊二烯原，因為它確實是一種新型生物體。據(jù)了解，沒有其他生物能通過產(chǎn)生異戊二烯生長。”
目前，全世界可能只有少數(shù)幾個實驗室具備類似的產(chǎn)甲烷菌改造能力，但最近的結(jié)果表明，這項工作是值得的?！爱a(chǎn)甲烷菌的工作效果確實很好，而且還很便宜，”Buan表示。
文章來源： 科學(xué)大觀園雜志
人們每年要從石油中提煉約80萬噸異戊二烯，大部分用于生產(chǎn)合成橡膠。為了減少我們對化石燃料的依賴，研究人員一直在尋找可再生的化學(xué)物質(zhì)來源，其中包括我們熟悉的酵母、大腸桿菌和藍(lán)藻等。然而，用上述微生物生產(chǎn)異戊二烯，不僅需要昂貴的原料，還需耗時耗力建造新設(shè)施。
產(chǎn)甲烷菌的生長無需光線和氧氣。它不僅能輕易吞噬生產(chǎn)過程中的廢物（包括廢水），還會自然地將其5%的代謝能量用于構(gòu)建類異戊二烯（基本成分為異戊二烯的化合物）細(xì)胞膜。多年來，Buan一直試圖在產(chǎn)甲烷菌將類異戊二烯整合到細(xì)胞膜之前，從中提取類異戊二烯。獲得資助后，Buan便馬不停蹄地開展了這次研究。
研究始于一種可將10%碳轉(zhuǎn)化為異戊二烯的楊樹基因。這種基因可指導(dǎo)異戊二烯合成酶的形成，而異戊二烯合成酶會作用于二甲基烯丙基焦磷酸鹽（DMAPP）。DMAPP由一個異戊二烯分子和一個焦磷酸分子組成，通常會成為產(chǎn)甲烷菌細(xì)胞膜的一部分。在此之前，異戊二烯合成酶將切斷焦磷酸分子，進而讓微小的異戊二烯分子以氣體形式自由地通過細(xì)胞膜逸出。
在新研究中，Buan將異戊二烯合成酶基因的改良版本轉(zhuǎn)移到了乙酸甲烷八疊球菌（Methanosarcina acetivorans）中。結(jié)果表明，乙酸甲烷八疊球菌在吸食甲醇后，可將4%的碳轉(zhuǎn)化為異戊二烯呼出，其產(chǎn)量是表現(xiàn)最好的同類細(xì)菌的179倍。
那么，改造后的產(chǎn)甲烷菌在沒有標(biāo)準(zhǔn)DMAPP供應(yīng)的情況下能否正常存活、生長呢？研究小組發(fā)現(xiàn)，其增殖速率與甲烷產(chǎn)量均未受到影響。
事實上，當(dāng)產(chǎn)甲烷菌呼出異戊二烯時，它的總生物量增加了。研究人員認(rèn)為，改造后的產(chǎn)甲烷菌將其基因表達(dá)和新陳代謝與另一條支持生長的能量路徑進行了重連。
Buan說：“我們將改造后的細(xì)菌稱為異戊二烯原，因為它確實是一種新型生物體。據(jù)了解，沒有其他生物能通過產(chǎn)生異戊二烯生長。”
目前，全世界可能只有少數(shù)幾個實驗室具備類似的產(chǎn)甲烷菌改造能力，但最近的結(jié)果表明，這項工作是值得的?！爱a(chǎn)甲烷菌的工作效果確實很好，而且還很便宜，”Buan表示。
文章來源： 科學(xué)大觀園雜志
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