用于未来气候中性化学品的细菌

苏黎世联邦理工学院的研究人员在实验室中对细菌进行了改造，以有效利用甲醇。现在可以利用这些细菌的新陈代谢来生产目前化学工业用化石燃料生产的有价值的产品。

为了生产塑料、染料或人造香料等各种化学品，化学工业目前严重依赖原油等化石资源。苏黎世联邦理工学院微生物研究所教授 Julia Vorholt 表示：“全球范围内，每年消耗 5 亿吨，或者每天超过 100 万吨。”

“由于这些化学转化是能源密集型的，化学工业的真实 CO 2足迹甚至要大 6 到 10 倍，约占全球总排放量的 5%。”她和她的团队正在寻找减少化学工业对化石燃料依赖的方法。

绿色甲醇

以甲醇为食的细菌(称为甲基营养菌)是这些努力的核心。甲醇仅含有一个碳原子，是最简单的有机分子之一，可以由温室气体二氧化碳和水合成。如果该合成反应的能量来自可再生能源，则甲醇被称为“绿色”。

“天然的甲基营养菌是存在的，但尽管进行了大量的研究工作，但在工业上使用它们仍然很困难，”Vorholt 研究小组的博士后研究员 Michael Reiter 说，该小组的研究对象是生物技术上广为人知的模型细菌大肠杆菌。多年来，Vorholt 的团队一直在追求让以糖为食的模型细菌具备代谢甲醇的能力。

新陈代谢的彻底重组

“这是一个重大挑战，因为它需要彻底重组细胞的新陈代谢，”沃霍尔特说。最初，研究人员使用计算机模型模拟了这种变化。基于这些模拟，他们选择删除两个基因并引入三个新基因。 “因此，细菌可以吸收甲醇，尽管数量很少，”赖特说。

他们在实验室的特殊条件下继续培养细菌一年多，直到微生物能够从甲醇中产生所有细胞成分。在大约 1,000 代的过程中，这些合成的甲基营养菌变得越来越高效，仅用甲醇喂养时，最终每四个小时翻倍。 “生长速度的提高使细菌在经济上变得有趣，”沃霍尔特说。

通过功能丧失进行优化

正如 Vorholt 团队在《自然催化》 论文中所描述的那样，几个随机发生的突变导致了甲醇利用效率的提高。大多数这些突变导致各种基因功能丧失。

乍一看，这令人惊讶，但经过仔细观察，很明显，由于基因功能的丧失，细胞可以节省能量。例如，一些突变会导致重要生化反应的逆反应失败。研究人员写道：“这消除了多余的化学转化并优化了细胞中的代谢通量。”

为了探索合成甲基营养菌在工业相关大宗化学品生物技术生产中的潜力，Vorholt 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。在他们的研究中，他们现在表明细菌确实在所有情况下都产生了所需的化合物。

多功能生产平台

对于研究人员来说，这是他们的工程细菌可以实现最初承诺的明确证据：微生物是一种高度通用的生产平台，可以根据“即插即用”原理将生物合成模块插入其中，从而促使细菌将甲醇转化为所需的生化物质。

然而，研究人员仍然需要显着提高产量和生产力，以实现经济上可行的细菌使用。沃霍尔特和她的团队最近获得了一项创新基金，“以进一步扩大应用计划并选择首先关注的产品”，沃霍尔特说。

当赖特谈到如何优化生物反应器中细菌的培养时，他充满了热情。 “鉴于气候变化的挑战，显然需要化石资源的替代品，”他说。

“我们正在开发一种不会向大气中排放额外CO 2的技术，”Reiter 说道。由于除了绿色甲​​醇之外，合成甲基营养菌的生长和产品不需要任何额外的碳源，因此它们可以“生产不会给环境造成负担的可再生化学品”。