科学家利用甲烷菌生产合成橡胶原料异戊二烯

　　异戊二烯是一种非常有价值的石化产品，是生产粘合剂、合成橡胶等各种消费品的主要原料之一。

　　每年大约有 80 万吨异戊二烯是从石油中提炼出来的。为了减缓气候变化，尽量减少对化石燃料的依赖，相关学者一直致力于寻找替代的、可再生化学物质来源来生产异戊二烯，这些替代品包括酵母、大肠杆菌和蓝藻等。

　　近日，内布拉斯加大学林肯分校的生物化学家尼科尔?布安（Nicole Buan）及其同事对一种甲烷菌进行基因工程改造后，能够产生大量的异戊二烯，且产量远远超过了其他微生物。

　　产甲烷菌以释放甲烷而闻名，这种单细胞微生物广泛存在于人类和其他动物的内脏，以及海洋底部的深海热泉等没有氧气的地方。

　　“这就像你或我刚开始呼吸橡胶一样，”Buan 的博士顾问 Sean Carr 说道。

　　此前用于生产异戊二烯的酵母、大肠杆菌等，均需要专门的原料进行生产，其中一些来自玉米、甜菜或其他供人类或牲畜食用的作物。因此这些微生物本身的生产和大规模加工本身就非常昂贵，而且，无论选用哪一种微生物生产异戊二烯，都需要设计和建造新的基础设施，这一劳动密集型任务无形之中又会耗费大量的成本。

　　而这恰恰是 Buan 对产甲烷菌感兴趣的原因之一 ―― 产甲烷菌不需要光线，不需要氧气，而且极易吞噬掉废水等毫无价值的废物。

　　“它们是非常不可思议、非常神奇的生物，它们可以生长在一个完全密封的玻璃容器里，里面只有一些矿物质，仅此而已，” 生物化学副教授 Buan 感叹道，“在我看来，这种生物最有潜力开发出可持续性技术，从而彻底改变我们的气候和能源需求。”

　　图 | 生成甲烷的微生物和异戊二烯分子的渲染图（来源：University of Nebraska–Lincoln）

　　此外，产甲烷菌还会将其 5% 的新陈代谢直接用于类异戊二烯（其基本成分为异戊二烯的化合物）细胞膜的构建，这也是 Buan 对这种生物十分感兴趣的另外一个原因。

　　多年来，Buan 和其学生们一直在想办法从产甲烷菌中至少提取一些类异戊二烯，然后再将它们全部整合到膜中。

　　“如果能成功，那当然很棒，但根本不可能成功。” 过去，Buan 在听证会上经常会听到这样的话，当时她和人们一样担心 ―― 如果从制造细胞膜中拿走碳和能量，那么，它们如何进行分裂和生长呢？

　　不过，获得了资金支持后，Buan 及其团队开始逐渐打消了这些疑虑。

　　他们从产甲烷菌乙酸甲烷八叠球菌（Methanosarcina acetivorans）和一种杨树的基因入手，这种基因能将其 10% 的碳转化为异戊二烯。

　　这个基因会指导异戊二烯合酶的形成，这种酶接着会作用于一种叫做焦磷酸二甲基烯丙基酯（dimethylallyl pyrophosphate，DMAPP）的化合物。

　　这种化合物的构成为异戊二烯分子和焦磷酸分子，在成为甲烷菌细胞膜的一部分之前，异戊二烯合成酶将通过切断焦磷酸盐加以干预，受此影响，异戊二烯分子会以气体的形式逸出膜。

　　该团队将杨树基因的改良版本移植到醋酸甲烷八叠球菌（Methanosarcina acetivorans）中，产甲烷菌就能产生异戊二烯合酶，进而产生异戊二烯。然后他们将杨树基因包裹在一个精心制作的 DNA 分子中，并给产甲烷菌投喂二氧化碳、醋酸盐、甲烷、甲醇等 “垃圾食品”。

　　据悉，醋酸甲烷八叠球菌在吸食甲醇时能够把 4% 的碳转化为异戊二烯，其产量比其他方式高出 179 倍，同类中最好的细菌即便在强制摄入葡萄糖的状态下也无法达到这一水平。

　　但是，如果没有标准 DMAPP 的供应，甲烷菌还能否存活呢？经过研究，该团队发现，基因改造后的醋酸甲烷八叠球菌的数量依然试下了翻番，且速度与之前保持一致，产生的甲烷数量也一样。

　　原来，甲烷菌吸入异戊二烯的时候，其总生物量已经增加了。为了弥补这一缺陷，改造后的甲烷菌会将其新陈代谢与基因表达重新连接到不同能量路径上，以支持其正常生长。这样一来，产生异戊二烯就不会是醋酸甲烷八叠球菌生长的唯一路径，而只是部分因素。

　　“这表明，它们会从制造这种高价值的化学物质中受益，而这则源于产甲烷菌新陈代谢和生理机能的特殊性，”Buan 说，“我们一直称其为异戊二烯原，因为它确实是一种新型的有机体。据我们所知，还没有其他生物是通过产生异戊二烯气体来生长的。而且这不是应激反应，这就是它的增长方式。”

　　研究人员告诉外媒，“考虑到现有的污水处理厂和其他生物燃料设施中已经纳入产甲烷菌，对它们进行改造，以回收异戊二烯可能会相对简单。同时，Buan 的实验室正在研究如何优化醋酸甲烷八叠球菌，将更多的碳转化为异戊二烯。”

　　她指出，到目前为止，全世界可能只有为数不多的实验室具备生物化学和基因方面的专业知识，来以类似的方式对产甲烷菌进行微调。

　　“能制造产甲烷菌的人并不多，可一旦掌握了制造方法，就能看到这种微生物的工作效果与成本优势。” Buan 表示。