Science：取代化石燃料，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(shí)間 8 月 27 日，在最新一期的《科學(xué)》期刊中，來(lái)自美國(guó)能源部橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL ）、西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(xiàng)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(lèi)。

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(lái)生產(chǎn)乙烯和甲烷的過(guò)程，可能在制造業(yè)中具有非常大的價(jià)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(lái)生產(chǎn)乙烯進(jìn)而制造塑料的傳統(tǒng)方式。”

North 補(bǔ)充道 ：“雖然培育這些菌株來(lái)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(mén)已經(jīng)打開(kāi)。”

偶然實(shí)驗(yàn)促成重大發(fā)現(xiàn)

這項(xiàng)研究始于俄亥俄州立大學(xué)，當(dāng)時(shí) Robert Tabita 正領(lǐng)導(dǎo)著一項(xiàng)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(duì)的一員，North 決定在缺乏硫的情況下，測(cè)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(gè)過(guò)程中，他驚訝地發(fā)現(xiàn)了乙烯。

North 說(shuō)：“ 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?cè)谥圃齑罅康囊蚁怏w，是很奇怪的。于是我們?cè)噲D去了解細(xì)菌是如何做到這一點(diǎn)的，因?yàn)檫€沒(méi)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(guò)程，他們使用放射性化合物來(lái)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(lèi)型的分析生物技術(shù)，來(lái)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(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(duì)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(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(lái)分析微生物蛋白質(zhì)組（來(lái)源：美國(guó)能源部Carlos Jones／ORNL）

Hettich 研究小組此前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了一種前沿的方法，利用質(zhì)譜對(duì)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(cè)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(duì)豐度，從而確定了少數(shù)蛋白質(zhì)，以便進(jìn)一步表征。

Hettich 說(shuō)：“ 我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)驚人的差異 ”。數(shù)據(jù)顯示，一個(gè)類(lèi)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(shí)，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(lèi)似固氮酶的蛋白質(zhì)與具有類(lèi)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(lèi)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(lái)源：Science）

Hettich 表示，有時(shí)基因或基因家族的命名或注釋可能會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)，名字暗示了主要功能。實(shí)際上，該基因可能具有次要功能，可以說(shuō)是在打夜工，或者它實(shí)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(cè)量，即使你不知道先驗(yàn)答案，那么數(shù)據(jù)也將顯示出其中真正的聯(lián)系?！盚ettich 說(shuō)。

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(guó)家實(shí)驗(yàn)室的同事們進(jìn)行了一系列操縱細(xì)菌基因組的實(shí)驗(yàn)，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(kāi)關(guān)一樣關(guān)閉和開(kāi)啟了細(xì)菌中乙烯的生產(chǎn)過(guò)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(shí)了該基因及其編碼的酶對(duì)該乙烯代謝途徑的重要性。

Tabita 將這項(xiàng)研究描述為是一次快樂(lè)的意外結(jié)果，他說(shuō)：“ 這項(xiàng)研究涉及兩所大學(xué)和兩個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的合作研究和專(zhuān)業(yè)知識(shí)，最初，我們的研究目標(biāo)是一個(gè)與這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)完全不相關(guān)的研究問(wèn)題，因此可以說(shuō)這是一個(gè)‘偶然的發(fā)現(xiàn)往往會(huì)帶來(lái)重要的進(jìn)展’的完美例子?！?/p>

引發(fā)更多新的科學(xué)探索

North 表示， “ 近十年來(lái)，研究人員一直在研究如何在有氧環(huán)境中通過(guò)生物生產(chǎn)的方式來(lái)制造乙烯，但是由于在工業(yè)級(jí)生產(chǎn)規(guī)模中，乙烯和氧氣的混合可能會(huì)發(fā)生爆炸，因此擴(kuò)大這個(gè)生產(chǎn)過(guò)程還存在技術(shù)障礙。如今，有了這種新的厭氧生產(chǎn)途徑，就可以消除這一障礙，但在擴(kuò)大規(guī)模方面仍有很多工作需要做。”

未來(lái)的乙烯生產(chǎn)工廠(chǎng)可能會(huì)使用細(xì)菌而不是化石燃料

研究小組指出，乙烯和甲烷是細(xì)菌產(chǎn)生甲硫氨酸（一種構(gòu)成蛋白質(zhì)所必需的氨基酸）過(guò)程中的副產(chǎn)物。當(dāng)細(xì)胞處于厭氧和低硫的環(huán)境時(shí)，細(xì)菌會(huì)被迫清除細(xì)胞廢物中的硫，也就是在硫的代謝過(guò)程中，就會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)物乙烯；如果將硫的來(lái)源改變?yōu)樽罹邠]發(fā)性的有機(jī)硫化合物二甲基硫，細(xì)菌就會(huì)在甲硫氨酸的生成中使用它，并產(chǎn)生副產(chǎn)物甲烷。

這些發(fā)現(xiàn)除了可作為一種潛在的生產(chǎn)乙烯的生物方法，用于塑料和其他工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)之外，還可以為處理積水和厭氧土壤中的農(nóng)作物提供幫助，從而以防止乙烯過(guò)量引起的破壞，并給予這一新發(fā)現(xiàn)開(kāi)發(fā)使農(nóng)作物更健康生長(zhǎng)的辦法。

該研究的共同作者、科羅拉多州立大學(xué)土壤和作物科學(xué)副教授 Kelly Wrighton 說(shuō)：“乙烯是一種重要的天然植物激素，適量的乙烯是植物生長(zhǎng)和健康的關(guān)鍵。但過(guò)量的乙烯會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生有害作用?！?/p>

Wrighton 表示，這種新發(fā)現(xiàn)的途徑可能會(huì)揭示出許多以前無(wú)法解釋的環(huán)境現(xiàn)象，其中包括大量的乙烯在積水土壤中積累，從而到會(huì)造成大面積作物損害的水平。

North 補(bǔ)充道：“ 現(xiàn)在我們知道了它是如何發(fā)生的，也許可以規(guī)避或處理這些問(wèn)題，從而在發(fā)生洪水時(shí)，不至于讓乙烯在土壤中積累?！?/p>

總而言之，這項(xiàng)研究提出了許多新的科學(xué)問(wèn)題，其中包括該途徑是否涉及植物與微生物之間的相互作用。North 說(shuō)：“ 這一發(fā)現(xiàn)引出了新的探索路線(xiàn)，這很令人興奮，實(shí)際上也可能會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)和其他農(nóng)作物產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的好處?！?/p>

但是 North 表示，所有的研究都是在實(shí)驗(yàn)室里完成的，所以這個(gè)過(guò)程在實(shí)際環(huán)境中到底有多普遍還有待觀(guān)察。

排版：趙辰霞

編審：王新凱