科學(xué)家找到利用微生物生產(chǎn)塑料等化工產(chǎn)品原料的全新方法

當(dāng)?shù)貢r間 8 月 27 日，在最新一期的《科學(xué)》期刊中，來自美國能源部橡樹嶺國家實驗室（ORNL ）、西北太平洋國家實驗室、科羅拉多州立大學(xué)和俄亥俄州立大學(xué)的研究人員共同發(fā)表了一項重磅研究成果一種利用微生物生產(chǎn)乙烯的全新方法。另外，該研究還發(fā)現(xiàn)了一種前所未知的細(xì)菌制造甲烷這種溫室氣體的方式。

眾所周知，乙烯在化學(xué)工業(yè)中被廣泛用于制造幾乎所有的塑料，是制造業(yè)中使用量最大的有機(jī)化合物。不僅如此，乙烯還是一種極為重要的基礎(chǔ)化工原料，乙烯及其下游衍生物是生產(chǎn)塑料、粘合劑、冷卻劑、橡膠和一些日常產(chǎn)品的主要原料。目前，生產(chǎn)乙烯的原料主要有石腦油、乙烷、液化石油氣和煤（甲醇）四大類。

研究人員表示，這一發(fā)現(xiàn)有望代替當(dāng)前利用化石燃料生產(chǎn)乙烯的高耗能方法，從而為乙烯的制造提供一條潛在生物生產(chǎn)途徑。

該研究的主要作者、俄亥俄州立大學(xué)微生物學(xué)研究科學(xué)家 Justin North 表示，“ 利用細(xì)菌來生產(chǎn)乙烯和甲烷的過程，可能在制造業(yè)中具有非常大的價值，我們已經(jīng)突破了生產(chǎn)大量乙烯氣體的主要技術(shù)障礙，代替以往利用化石燃料源來生產(chǎn)乙烯進(jìn)而制造塑料的傳統(tǒng)方式?！?/p>

North 補(bǔ)充道 “雖然培育這些菌株來生產(chǎn)大量的、可用于工業(yè)生產(chǎn)的乙烯氣體，還有很多工作要做，但這扇大門已經(jīng)打開?！?/p>

偶然實驗促成重大發(fā)現(xiàn)

這項研究始于俄亥俄州立大學(xué)，當(dāng)時 Robert Tabita 正領(lǐng)導(dǎo)著一項關(guān)于光合細(xì)菌的碳固定和氮、硫代謝的研究。作為 Tabita 團(tuán)隊的一員，North 決定在缺乏硫的情況下，測量紅螺螺旋藻細(xì)菌和同一家族中的其他微生物消耗和排放的氣體。

就在這個過程中，他驚訝地發(fā)現(xiàn)了乙烯。

North 說“ 我們知道這些細(xì)菌正在產(chǎn)生氫氣并消耗二氧化碳，但是它們在制造大量的乙烯氣體，是很奇怪的。于是我們試圖去了解細(xì)菌是如何做到這一點(diǎn)的，因為還沒有已知的化學(xué)反應(yīng)還能夠解釋這一現(xiàn)象?！?/p>

North 和他在俄亥俄州立大學(xué)的同事們研究了這種新的代謝過程，他們使用放射性化合物來追蹤微生物的前體以及甲硫氨酸和乙烯的產(chǎn)生。但是，他們還需要一種不同類型的分析生物技術(shù)，來在該途徑和酶之間建立關(guān)鍵的聯(lián)系。

于是，Tabita 找到了領(lǐng)導(dǎo)著美國橡樹嶺國家實驗室生物質(zhì)譜小組的 Bob Hettich，他們分別在低硫產(chǎn)生乙烯和高硫不產(chǎn)生乙烯的兩種不同條件下，對這些光合細(xì)菌中存在的蛋白質(zhì)組進(jìn)行了比較分析。

美國橡樹嶺國家實驗室生物質(zhì)譜小組的 Bob Hettich使用一種特殊的質(zhì)譜技術(shù)來分析微生物蛋白質(zhì)組（來源美國能源部Carlos Jones／ORNL）

Hettich 研究小組此前已經(jīng)開發(fā)出了一種前沿的方法，利用質(zhì)譜對微生物系統(tǒng)的蛋白質(zhì)組進(jìn)行表征，這種技術(shù)可以準(zhǔn)確測量不同分子的質(zhì)量和斷裂途徑，并提供有關(guān)結(jié)構(gòu)和組成的詳細(xì)信息。Hettich 和 ORNL 博士后研究員 Weili Xiong 從低硫和高硫系統(tǒng)中鑒定出了數(shù)千種蛋白質(zhì)，并分析了它們的相對豐度，從而確定了少數(shù)蛋白質(zhì)，以便進(jìn)一步表征。

Hettich 說“ 我們發(fā)現(xiàn)了一個驚人的差異 ”。數(shù)據(jù)顯示，一個類似固氮酶的蛋白質(zhì)在低硫產(chǎn)生乙烯樣品中的含量高出近 50 倍。當(dāng)硫含量較低時，一些與鐵和硫相關(guān)的蛋白質(zhì)也大量增加了，這表明硫代謝可能存在一條新的途徑。

但是，在基因注釋中，類似固氮酶的蛋白質(zhì)與具有類似 DNA 序列的固氮酶歸為一組，并且已知它們能將大氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)化為氨氣。

微生物中類似固氮酶的特殊蛋白質(zhì)，與揮發(fā)性有機(jī)硫化合物利用有關(guān)（來源Science）

Hettich 表示，有時基因或基因家族的命名或注釋可能會產(chǎn)生誤導(dǎo)，名字暗示了主要功能。實際上，該基因可能具有次要功能，可以說是在打夜工，或者它實際上可能在做完全不同的事情。

“但是數(shù)據(jù)就是數(shù)據(jù)。如果你以正確地的方式運(yùn)行測量，即使你不知道先驗答案，那么數(shù)據(jù)也將顯示出其中真正的聯(lián)系?！盚ettich 說。

有了這些關(guān)鍵的蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)，俄亥俄州立大學(xué)的研究人員和科羅拉多州立大學(xué)及太平洋西北國家實驗室的同事們進(jìn)行了一系列操縱細(xì)菌基因組的實驗，以包含或移除基因簇 Rru＿A0793－Rru＿A0796。

這些基因的刪除和替換就像開關(guān)一樣關(guān)閉和開啟了細(xì)菌中乙烯的生產(chǎn)過程，即固氮酶裂解碳硫鍵，將 2－甲硫基乙醇還原成制造甲硫氨酸的前體，在該途徑中從而產(chǎn)生副產(chǎn)物乙烯。該研究也證實了該基因及其編碼的酶對該乙烯代謝途徑的重要性。

Tabita 將這項研究描述為是一次快樂的意外結(jié)果，他說“ 這項研究涉及兩所大學(xué)和兩個國家實驗室的合作研究和專業(yè)知識，最初，我們的研究目標(biāo)是一個與這項發(fā)現(xiàn)完全不相關(guān)的研究問題，因此可以說這是一個‘偶然的發(fā)現(xiàn)往往會帶來重要的進(jìn)展’的完美例子。”