科學(xué)家利用甲烷菌生產(chǎn)合成橡膠原料異戊二烯，產(chǎn)量比同類細(xì)菌高出 179 倍

異戊二烯是一種非常有價值的石化產(chǎn)品，是生產(chǎn)粘合劑、合成橡膠等各種消費品的主要原料之一。

每年大約有 80 萬噸異戊二烯是從石油中提煉出來的。為了減緩氣候變化，盡量減少對化石燃料的依賴，相關(guān)學(xué)者一直致力于尋找替代的、可再生化學(xué)物質(zhì)來源來生產(chǎn)異戊二烯，這些替代品包括酵母、大腸桿菌和藍(lán)藻等。

近日，內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校的生物化學(xué)家尼科爾?布安（Nicole Buan）及其同事對一種甲烷菌進行基因工程改造后，能夠產(chǎn)生大量的異戊二烯，且產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其他微生物。

產(chǎn)甲烷菌以釋放甲烷而聞名，這種單細(xì)胞微生物廣泛存在于人類和其他動物的內(nèi)臟，以及海洋底部的深海熱泉等沒有氧氣的地方。

“這就像你或我剛開始呼吸橡膠一樣，”Buan 的博士顧問 Sean Carr 說道。

此前用于生產(chǎn)異戊二烯的酵母、大腸桿菌等，均需要專門的原料進行生產(chǎn)，其中一些來自玉米、甜菜或其他供人類或牲畜食用的作物。因此這些微生物本身的生產(chǎn)和大規(guī)模加工本身就非常昂貴，而且，無論選用哪一種微生物生產(chǎn)異戊二烯，都需要設(shè)計和建造新的基礎(chǔ)設(shè)施，這一勞動密集型任務(wù)無形之中又會耗費大量的成本。

而這恰恰是 Buan 對產(chǎn)甲烷菌感興趣的原因之一 —— 產(chǎn)甲烷菌不需要光線，不需要氧氣，而且極易吞噬掉廢水等毫無價值的廢物。

“它們是非常不可思議、非常神奇的生物，它們可以生長在一個完全密封的玻璃容器里，里面只有一些礦物質(zhì)，僅此而已，” 生物化學(xué)副教授 Buan 感嘆道，“在我看來，這種生物最有潛力開發(fā)出可持續(xù)性技術(shù)，從而徹底改變我們的氣候和能源需求?！?/span>

此外，產(chǎn)甲烷菌還會將其 5% 的新陳代謝直接用于類異戊二烯（其基本成分為異戊二烯的化合物）細(xì)胞膜的構(gòu)建，這也是 Buan 對這種生物十分感興趣的另外一個原因。

多年來，Buan 和其學(xué)生們一直在想辦法從產(chǎn)甲烷菌中至少提取一些類異戊二烯，然后再將它們?nèi)空系侥ぶ小?/span>

“如果能成功，那當(dāng)然很棒，但根本不可能成功?！?過去，Buan 在聽證會上經(jīng)常會聽到這樣的話，當(dāng)時她和人們一樣擔(dān)心 —— 如果從制造細(xì)胞膜中拿走碳和能量，那么，它們?nèi)绾芜M行分裂和生長呢？

不過，獲得了資金支持后，Buan 及其團隊開始逐漸打消了這些疑慮。

他們從產(chǎn)甲烷菌乙酸甲烷八疊球菌（Methanosarcina acetivorans）和一種楊樹的基因入手，這種基因能將其 10% 的碳轉(zhuǎn)化為異戊二烯。

這個基因會指導(dǎo)異戊二烯合酶的形成，這種酶接著會作用于一種叫做焦磷酸二甲基烯丙基酯（dimethylallyl pyrophosphate，DMAPP）的化合物。

這種化合物的構(gòu)成為異戊二烯分子和焦磷酸分子，在成為甲烷菌細(xì)胞膜的一部分之前，異戊二烯合成酶將通過切斷焦磷酸鹽加以干預(yù)，受此影響，異戊二烯分子會以氣體的形式逸出膜。

該團隊將楊樹基因的改良版本移植到醋酸甲烷八疊球菌（Methanosarcina acetivorans）中，產(chǎn)甲烷菌就能產(chǎn)生異戊二烯合酶，進而產(chǎn)生異戊二烯。然后他們將楊樹基因包裹在一個精心制作的 DNA 分子中，并給產(chǎn)甲烷菌投喂二氧化碳、醋酸鹽、甲烷、甲醇等 “垃圾食品”。

據(jù)悉，醋酸甲烷八疊球菌在吸食甲醇時能夠把 4% 的碳轉(zhuǎn)化為異戊二烯，其產(chǎn)量比其他方式高出 179 倍，同類中最好的細(xì)菌即便在強制攝入葡萄糖的狀態(tài)下也無法達到這一水平。

但是，如果沒有標(biāo)準(zhǔn) DMAPP 的供應(yīng)，甲烷菌還能否存活呢？經(jīng)過研究，該團隊發(fā)現(xiàn)，基因改造后的醋酸甲烷八疊球菌的數(shù)量依然試下了翻番，且速度與之前保持一致，產(chǎn)生的甲烷數(shù)量也一樣。

原來，甲烷菌吸入異戊二烯的時候，其總生物量已經(jīng)增加了。為了彌補這一缺陷，改造后的甲烷菌會將其新陳代謝與基因表達重新連接到不同能量路徑上，以支持其正常生長。這樣一來，產(chǎn)生異戊二烯就不會是醋酸甲烷八疊球菌生長的唯一路徑，而只是部分因素。

“這表明，它們會從制造這種高價值的化學(xué)物質(zhì)中受益，而這則源于產(chǎn)甲烷菌新陳代謝和生理機能的特殊性，”Buan 說，“我們一直稱其為異戊二烯原，因為它確實是一種新型的有機體。據(jù)我們所知，還沒有其他生物是通過產(chǎn)生異戊二烯氣體來生長的。而且這不是應(yīng)激反應(yīng)，這就是它的增長方式?！?/span>

研究人員告訴外媒，“考慮到現(xiàn)有的污水處理廠和其他生物燃料設(shè)施中已經(jīng)納入產(chǎn)甲烷菌，對它們進行改造，以回收異戊二烯可能會相對簡單。同時，Buan 的實驗室正在研究如何優(yōu)化醋酸甲烷八疊球菌，將更多的碳轉(zhuǎn)化為異戊二烯?！?/span>

她指出，到目前為止，全世界可能只有為數(shù)不多的實驗室具備生物化學(xué)和基因方面的專業(yè)知識，來以類似的方式對產(chǎn)甲烷菌進行微調(diào)。

“能制造產(chǎn)甲烷菌的人并不多，可一旦掌握了制造方法，就能看到這種微生物的工作效果與成本優(yōu)勢?！?Buan 表示。