重新編程的微生物分泌可再生生物燃料油

日期：2010-05-06 07:47:06

利用遺傳方法，亞利桑那州立大學生物設計研究所的研究人員讓光合微生物分泌出了油——這就繞過了阻礙綠色生物燃料生產的能源和成本的障礙。他們的研究成果本周發表在了《美國科學院學報》（PNAS）的網絡先行版上。

開發一種能夠與目前石油的可擴展性與低成本相競爭的可再生生物燃料來源的挑戰令人生畏。“任何生物燃料生產的真正成本在于收獲燃料前體并把它們轉化成燃料，”生物設計研究所的傳染病與疫苗學中心主任、生命科學學院教授Roy Curtiss說。“通過讓細菌把它們珍貴的貨物釋放到細胞之外，我們優化了細菌代謝工程，從而開發出了生物燃料生產的一種真正綠色的路徑。”

該研究的第一作者Xinyao Liu和Curtiss使用了他們在開發細菌疫苗的專家技能，對用于生物燃料生產的藍細菌進行了遺傳優化。去年，他們有能力修改這些微生物，引發它們自我毀滅，并釋放出它們的脂質。然而在這個研究組的最新努力中，提取富含能量的脂肪酸的過程不需要殺死這些細胞。

“在中國，我們有一句諺語，”Liu說。“不要殺雞取卵。”該研究組并沒有殺死這些藍細菌，而是巧妙地重新修改了它們的遺傳結構，產生了通過細胞壁持續分泌脂肪酸的突變菌株。這些藍細菌本質上就像微型的生物燃料生產廠。

Liu意識到如果能讓藍細菌過度生產脂肪酸，它們在細胞壁內部的積累將最終導致這些脂肪酸通過細胞膜擴散出去。為了實現這種情況，Liu向藍細菌引入了一種特定的酶，稱為硫脂酶。

這種酶有能力把脂肪酸從復雜的載體蛋白質上分離，把在細胞內部積累的它們解放出來，直到細胞開始分泌它們。“我使用了能把脂肪酸從脂合成路徑中偷走的基因，”Liu解釋說。他還指出，硫脂酶有效地剪斷了把脂肪酸和更復雜的分子連接起來的鍵。這種使用修改過的硫脂酶從而導致脂肪酸的分泌的方法是在十多年前首先由伊利諾伊大學的John Cronan在大腸桿菌上實現的。

通過遺傳刪除或修改細胞外套的兩個關鍵的層（稱為S和肽聚糖層），另一串修改增強了這個分泌的過程，讓脂肪酸更容易地逃出細胞，它們在水中的溶解度低導致了它們析出了溶液，在表面形成了發白的殘余物。研究結果顯示，在對這兩層細胞膜進行了遺傳修改之后，脂肪酸產量增加到了原來的3倍。

為了進一步改善脂肪酸產量，該研究組加入了一些基因，讓脂肪酸前體過度生產，并取消了對于藍細菌的生存并不關鍵的一些細胞路徑。這種修改確保了這種微生物的資源專門用于基本的生存和脂生產。

Liu強調說，當前的這項研究進展非常快，從最初研究開始到產生首批菌株只用了大約6個月的時間——他把原因歸結于在生物設計研究所整合的微生物遺傳操縱領域的強大專家技能。“我不認為其他任何研究組有能力做得這么迅速，”他說。

Roy Curtiss教授對此表示同意，他指出，“這個開創性的進展是把一些此前在其他細菌和植物中描述的遺傳修改和酶活動在改造過的藍細菌菌株中結合起來，并且引入了新發現的修改，從而增加脂肪酸的生產和分泌。迄今為止，結果令人鼓舞，而且我們有信心取得更大的改進，從而實現目前研發的菌株的更高的生產力。此外，優化與擴大規模有關的生長條件也將改善生產力。”

該研究組的成員還包括研究人員 Daniel Brune 和 Wim Vermaas。隨著研究的繼續，該研究組對于取得顯著更高的脂肪酸產量感到樂觀。

這項研究為實際使用這種有前途的清潔能源打開了大門。