转基因大肠杆菌让海藻变燃料

huaihuaii

发布时间：2012-02-05 文章出自：译言  原文链接：http://article.yeeyan.org/view/278584/249625


  本文简单介绍了《科学》上关于如何对大肠杆菌进行基因改造来将海藻转化为乙醇的文章。 海藻的繁殖应该快于陆地上的植物，同时不占用土地和淡水让利用海藻来生产乙醇显得格外绿色环保。至于海藻需求量变大可能产生的影响……好像目前我们还想不到那么远。 这项技术在大肠杆菌中表达了其他几种微生物的基因。事实上，寻找有用的基因，整合它们来实现我们的目的，类似技术本身的应用前景比海藻变汽油更令人期待。

  生物燃料可能是减少我们（美国？）对进口石油的依赖和温室气体排放的关键。乙醇是当下生物燃料的选择，在美国，几乎所有出售的汽油中都含有10%的乙醇。但现在绝大部分乙醇都来自玉米和甘蔗，这引发了从作物中获得燃料可能造成食品价格上涨的担心（“食物与燃料之争”）。

  用大型藻类（也称海藻）来制造燃料就没有这个问题。海藻不需要耕地，肥料或者淡水，而且它们已经被当作食物，饲料，肥料和高分子材料的来源来养殖（尽管不是像玉米那么重要的作物）。过去，科学家们没把海藻当作一种生物燃料的来源，是因为它主要的多糖成分太难加工了。最近发表在《科学》杂志上的一篇文章中讲述了研究者们通过对微生物进行基因改造，使之能够把海藻转化成乙醇。

  所谓的第二代生物乙醇来自不能食用的作物，比如树木和柳枝稷草，或者来自粮食作物不能吃的部分，比如玉米的叶片和茎秆。但是，由于在细胞壁中存在木质素，这种纤维质的材料很难转化加工——尽管我们有过一些对柳枝稷草进行基因改造来简化这一过程的报道。海藻不含木质素，这使得转化过程可以大大简化，而且能提高产量：一项来自能源部的研究显示，在理想条件下，海藻能够生产的乙醇是我们能从甘蔗中得到的两倍，是玉米的五倍。

  你可能会问：“这听起来太棒了，为什么我们不从海藻中提取乙醇呢？”好吧，这中间有点麻烦。海藻含有三种单糖：海藻糖，甘露糖和葡萄糖。目前，已有的工业微生物不能代谢海藻糖，所以乙醇的产量受到了很大的限制。

  就这点而言，很多人可能会放弃，说“好吧，可能海藻不是最好的获得生物燃料的途径”。

  另一方面，如果你是来自生物结构实验室的亚当·沃格基（Adam Wargacki）和其他13名成员之一，你不会停下来。相反，你会注意到著名的细菌，大肠杆菌（Escherichia coli , E. coli），它们天生就能代谢甘露糖和葡萄糖。既然我们知道有酶可以加工海藻糖（海藻糖裂解酶和寡聚海藻糖裂解酶），沃格基等人显然认为“我们可以来做这个工作”。

  已知的有海藻糖代谢系统的细菌有好几种，但是只有一种我们在其中找到了向细胞内部转运海藻糖的系统：鞘氨醇单胞菌（Sphingomonas）A1小种。不幸的是，这个系统太大太复杂了，没法整合到大肠杆菌中。

  不过，研究组搜索了国家生物技术信息中心（NCBI）基因组数据库，找到了一段来自灿烂弧菌（Vibrio spledidus）小种12B01的30000个碱基对（30kb）的DNA，看起来可能包含所有海藻糖降解，转运和代谢所需基因。（我很遗憾研究者们不得不通过搜索数据库来找这个。）

  现在的问题是，一段30kb长的DNxxx段太长了，很难直接转入大肠杆菌，而且这段基因的功能还不能确定。为了得到有正确DNA的大肠杆菌，作者们构建了一个灿烂弧菌基因组的DNxxx段库。每一个片段都由被连接到称作福斯质粒（fosmid）的DNA上，这种DNA能够稳定地将40kb的DNxxx段整合到目标基因组中。将福斯质粒文库插入大肠杆菌之后，他们让菌落在只有海藻糖作为营养源的培养基上。只有带特定的福斯质粒（定名为pALG1）的克隆能够生长，表明这段DNA含有他们之前确定的30kb的DNA。

  然后，他们检验了pALG1上的每一个蛋白编码片段来确定它们的功能。通过挨个敲除它们并检验在海藻糖上生长的能力，他们确定了一个之前没有报道过的海藻糖转运系统。

  在将这些基因插入到一个大肠杆菌菌株中之后，他们选择了来自运动酵单胞菌（Zymomonas mobilis）的基因途径来生产乙醇——利用了其中相关的丙酮酸脱羧酶和乙醇脱氢酶B——但是去掉了一些产生不需要的副产品的途径。最后，他们在含代表了褐藻（一种海藻）中标准的海藻糖，甘露糖和葡萄糖的比例为5：8：1的5%糖类混合物中，检验了他们的转基因大肠杆菌（被命名为BAL1611）。他们发现这种菌在每升培养基中能生产20克乙醇。

  作为最终的论证，他们用海带（Saccharina japonica），也就是kombu（其实就是日文里海带的音译吧……），一种食用海藻来实验。他们的微生物能从每克海藻生产0.281克乙醇——这是理想产量的80%。另外，其中83%的产量是在48小时内得到的。

  这个研究可能为海藻作为乙醇的来源打开了大门——这里面肯定有巨大的潜力。比这更吸引人的是通过基因工程来使微生物获得我们需要的性状的探索。

  希望最终微生物能够被改造来生产更多乙醇之外的东西。乙醇的能量密度比汽油低多了，所以现在的汽车还不能使用乙醇比例超过15%的混合燃料。另一方面，丁醇和汽油更像，所以可能将来某一种微生物可以生产丁醇。

  《科学》, 2012. DOI: 10.1126/science.

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生物燃料真的能给人类带来福祉？希望如是。