产甲烷菌和异戊二烯分子的渲染图。
细菌降解橡胶并不稀奇，但细菌能“呼出”橡胶，这倒是个振奋人心的消息。近日，来自美国内布拉斯加大学的生物化学家Nicole Buan等人在《应用与环境微生物学》杂志上发表论文称，他们通过基因工程改造了一种产甲烷菌。这种改造菌可产生大量合成橡胶的主要化学成分——异戊二烯，且产量远超其他微生物。
人们每年要从石油中提炼约80万吨异戊二烯，大部分用于生产合成橡胶。为了减少我们对化石燃料的依赖，研究人员一直在寻找可再生的化学物质来源，其中包括我们熟悉的酵母、大肠杆菌和蓝藻等。然而，用上述微生物生产异戊二烯，不仅需要昂贵的原料，还需耗时耗力建造新设施。
产甲烷菌的生长无需光线和氧气。它不仅能轻易吞噬生产过程中的废物（包括废水），还会自然地将其5%的代谢能量用于构建类异戊二烯（基本成分为异戊二烯的化合物）细胞膜。多年来，Buan一直试图在产甲烷菌将类异戊二烯整合到细胞膜之前，从中提取类异戊二烯。获得资助后，Buan便马不停蹄地开展了这次研究。
研究始于一种可将10%碳转化为异戊二烯的杨树基因。这种基因可指导异戊二烯合成酶的形成，而异戊二烯合成酶会作用于二甲基烯丙基焦磷酸盐（DMAPP）。DMAPP由一个异戊二烯分子和一个焦磷酸分子组成，通常会成为产甲烷菌细胞膜的一部分。在此之前，异戊二烯合成酶将切断焦磷酸分子，进而让微小的异戊二烯分子以气体形式自由地通过细胞膜逸出。
在新研究中，Buan将异戊二烯合成酶基因的改良版本转移到了乙酸甲烷八叠球菌（Methanosarcina acetivorans）中。结果表明，乙酸甲烷八叠球菌在吸食甲醇后，可将4%的碳转化为异戊二烯呼出，其产量是表现最好的同类细菌的179倍。
那么，改造后的产甲烷菌在没有标准DMAPP供应的情况下能否正常存活、生长呢？研究小组发现，其增殖速率与甲烷产量均未受到影响。
事实上，当产甲烷菌呼出异戊二烯时，它的总生物量增加了。研究人员认为，改造后的产甲烷菌将其基因表达和新陈代谢与另一条支持生长的能量路径进行了重连。
Buan说：“我们将改造后的细菌称为异戊二烯原，因为它确实是一种新型生物体。据了解，没有其他生物能通过产生异戊二烯生长。”
目前，全世界可能只有少数几个实验室具备类似的产甲烷菌改造能力，但最近的结果表明，这项工作是值得的。“产甲烷菌的工作效果确实很好，而且还很便宜，”Buan表示。
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编译：花花
审稿：西莫
责编：陈之涵
期刊来源：《应用与环境微生物学》
期刊编号：0099-2240
原文链接：
https://phys.org/news/2021-03-microbe-excels-rubber-curb-reliance.html
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