我们经常寻求最小的生命形式来帮助解决最大的问题：微生物有助于制造食品和饮料、治疗疾病、处理废物，甚至清理污染。酵母和细菌还可以将植物糖转化为生物燃料和传统上源自化石燃料的化学品——这是大多数减缓气候变化计划的关键组成部分。
现在，威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员已经改造了细菌，可以利用未充分利用的植物纤维同时生产两种化学产品。与人类不同的是，这些多任务微生物可以同样出色地完成这两件事。
“据我所知，这是第一次可以在一种微生物中同时生产两种有价值的产品，”威斯康辛大学麦迪逊分校细菌学教授兼五大湖生物能源研究中心主任蒂姆·多诺霍( Tim Donohue)说。
《应用与环境微生物学》杂志十二月号的一篇论文详细介绍了这一发现，它可能有助于使生物燃料更具可持续性和商业可行性。
“原则上，该战略降低了温室气体净排放量并提高了经济效益，”多诺霍说。“在一个锅中生产两种产品所需的能源和温室气体量将少于使用两个锅在每个锅中生产一种产品所需的能源和温室气体量。”
每个分子都很重要
用可持续替代品替代化石燃料的追求取决于从可再生生物质中提取最大可能的价值。就像石化产品一样，每个分子都很重要：小批量、高价值的产品有助于使燃料更加便宜。
最大的障碍之一是植物细胞壁的一部分，称为木质素。木质素是世界上最丰富的可再生芳香碳来源，但其不规则结构使其很难分解成有用的成分。
这就是为什么 GLBRC 的科学家研究了一种名为Novosphingobiumaromaticivorans(有时简称为Novo)的细菌，这种细菌可以消化木质素的许多成分，并且相对容易进行基因改造。
2019 年，研究人员设计了一种Novo菌株，可以生产尼龙和聚氨酯等塑料的关键成分，即 PDC。最近，Donohue 实验室的一个团队发现了另一种修饰，使Novo能够制造一种不同的塑料成分，称为cc MA。
但他们并没有就此止步。
“我们不会仅通过生产两种产品来解决碳排放问题，”为这项研究做出贡献的应届博士生本·霍尔 (Ben Hall)说道。
多诺休的团队利用基因组模型列出了一系列可以由生物质芳烃制成的潜在产品。位居榜首的是玉米黄质，它是一组被称为类胡萝卜素的有机色素之一。
类胡萝卜素赋予胡萝卜、南瓜、鲑鱼甚至火烈鸟独特的色彩，被用作营养补充剂、药品和化妆品，每年的累计市场价值达数百亿美元。
研究人员知道，Novo拥有生产另一种市场价值不大的类胡萝卜素的基因。根据细菌的基因组序列，他们怀疑玉米黄质是细胞制造复杂分子过程中价值较低的类胡萝卜素的垫脚石。这只是改变正确的基因以阻止消化装配线生产更有价值的产品的问题。
通过删除或添加选定的基因，他们设计了菌株，当在木质素中常见的芳香化合物上生长时，可以产生玉米黄质以及其他有价值的类胡萝卜素(β-胡萝卜素、番茄红素和虾青素)。
接下来，研究小组表明，工程细菌可以从研磨和处理的高粱茎制成的液体中产生相同的类胡萝卜素，这种溶液含有许多工业细菌无法消化的芳香族化合物的混合物。
一锅，两种产品
霍尔随后想知道，如果他将制造 PDC 和类胡萝卜素所需的基因变化结合在同一种微生物中，会发生什么。
由此产生的菌株同时产生 PDC 和目标类胡萝卜素，且任一产量均没有明显损失。更好的是，细菌在细胞内积累了类胡萝卜素，必须将其从含有它们分泌的 PDC 的溶液中分离出来。
“我们已经将细胞与培养基分离，”霍尔说。“现在我们将拥有两者兼而有之的产品。”
接下来的步骤包括测试工程菌株是否可以同时产生类胡萝卜素和cc MA(Donohue 认为它们会做到)，以及对菌株进行工程改造以提高工业条件下的产量。
虽然这些产品都有利润丰厚的市场，但多诺休和霍尔表示，这一发现的真正价值在于能够为这个生物平台添加多种功能。
“对我来说，这既是战略也是产品，”多诺霍说。“既然我们已经做到了这一点，我认为它打开了大门，看看我们是否可以创造出其他微生物底盘来生产两种产品。”
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