為了生產塑料、染料或人工香料等各種化學品，化學工業目前嚴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，”蘇黎世聯邦理工學院微生物研究所教授 Julia Vorholt 表示。“由于這些化學轉化是能源密集型的，化學工業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%。”她和她的團隊正在尋找減少化學工業對化石燃料依賴的方法。

綠色甲醇

以甲醇為食的細菌(稱為甲基營養菌)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”。

“天然的甲基營養菌是存在的，但盡管進行了大量的研究工作，但在工業上使用它們仍然很困難，”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上廣為人知的模型細菌大腸桿菌。多年來，Vorholt 的團隊一直在追求讓以糖為食的模型細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，因為它需要徹底重組細胞的新陳代謝，”Vorholt 說。最初，研究人員使用計算機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，細菌可以吸收甲醇，盡管數量很少，”賴特說。

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

通過功能喪失進行優化

正如 Vorholt 團隊在他們最近發表的論文中所描述的那樣，幾種隨機發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導致各種基因功能喪失。乍一看，這令人驚訝，但仔細觀察就會發現，由于基因功能喪失，細胞可以節省能量。例如，一些突變會導致重要生化反應的逆反應失敗。“這消除了多余的化學轉化并優化了細胞中的代謝通量，”研究人員寫道。

為了探索合成甲基營養菌在工業相關大宗化學品生物技術生產中的潛力，Vorholt 和她的團隊為細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，他們現在表明細菌確實在所有情況下都產生了所需的化合物。

多功能生產平臺

對于研究人員來說，這清楚地證明了他們改造的細菌能夠實現最初的承諾：微生物是一種高度通用的生產平臺，可以根據“即插即用”的原理插入生物合成模塊，促使細菌將甲醇轉化為所需的生化物質。

然而，研究人員仍然需要顯著提高產量和生產力，以實現經濟上可行的細菌使用。沃霍爾特和她的團隊最近獲得了一項創新基金，“以進一步擴大應用計劃并選擇首先關注的產品”，沃霍爾特說。

當瑞特談到如何優化生物反應器中細菌的培養時，他充滿了熱情。 “考慮到氣候變化的挑戰，顯然需要化石資源的替代品，”他說。 “我們正在開發一種不會向大氣中排放額外 CO 2的技術，”Reiter 說道。而且，由于除了綠色甲??醇之外，合成甲基營養菌的生長和產品不需要任何額外的碳源，因此它們可以“生產不會給環境造成負擔的可再生化學品”。