在無菌溶液中形成的碳酸鈣往往是無定形的和黑色的(左邊),，但是在細(xì)菌存在下,，細(xì)菌促進(jìn)碳酸鈣產(chǎn)生方解石晶體(右邊),。圖片來自 Jenny Cappuccio/Lawrence Berkeley National Laboratory,。
當(dāng)人類通過釋放二氧化碳(carbon dioxide, CO2)到大氣而導(dǎo)致地球變暖時,，一些研究人員相信捕獲CO2并將它封存在掩埋的巖石中能夠降低產(chǎn)生災(zāi)難性氣候變化的風(fēng)險。如今,，一個研究小組證實(shí)細(xì)菌能夠促進(jìn)這種捕獲過程,。而且經(jīng)基因修飾后，它們甚至能夠更快地捕獲CO2,，讓它保存在地下上百萬年,。
當(dāng)CO2被注入到地下多孔巖石時，它與填充巖石孔的鹽水中的金屬離子結(jié)合在一起而發(fā)生礦化產(chǎn)生碳酸鹽礦物,，如碳酸鈣(calcium carbonate, CaCO3),。這一過程需要上千年的時間。為了研究人們是否能夠加速這種礦化作用,，生化學(xué)家Jenny Cappuccio和來自勞倫斯-伯克利國家實(shí)驗(yàn)室地質(zhì)CO2納米控制中心(Lawrence Berkeley National Laboratory's Center for Nanoscale Control of Geologic CO2)的同事們在實(shí)驗(yàn)室氯化鈣溶液中加入很多種常見細(xì)菌物種的混合物,，然后往里注入CO2。他們發(fā)現(xiàn)相對于無菌溶液,，含細(xì)菌的溶液中碳酸鈣形成速度更快,，而且當(dāng)溶液存在細(xì)菌時，產(chǎn)生的碳酸鈣形成一種不同的礦物結(jié)構(gòu)：它傾向于生長為白色方解石(white calcite)晶體而不是無定形黑塊(amorphous black lump),，如圖所示,。即便是當(dāng)細(xì)菌無所事事，即處于不生長和增殖的狀態(tài),，它們也促進(jìn)方解石形成,。
研究小組對此感到好奇并猜測細(xì)菌表面在一定程度上有助于CO2與鈣離子結(jié)合在一起,。為了測試這種觀點(diǎn),，他們決定修飾其中一種細(xì)菌物種，即弧形莖菌(Caulobacter vibrioides),，從而使得它的表面將鈣離子吸引過來,，然后觀察接下來會發(fā)生什么,。
Cappuccio和同事們將一段編碼一個六谷氨酸環(huán)(a loop of six glutamic acids)的短DNA序列插入到弧形莖菌中。這種環(huán)從細(xì)菌表面蛋白中伸出來并且在整個細(xì)菌表面按照六邊形圖案發(fā)生重復(fù),。每個六谷氨酸環(huán)含有六個負(fù)電荷,。研究小組推想這種“負(fù)電荷環(huán)(negative loop)”能夠巧妙地圍繞在水中正電荷鈣離子周圍，從而將鈣離子吸引到細(xì)菌表面并促使它們形成碳酸鈣,。
它確實(shí)如此,。當(dāng)研究人員注入CO2到基因修飾的細(xì)菌生活的水槽時，形成的碳酸鈣數(shù)量要比同等條件下未修飾的細(xì)菌存在的水槽中更多,。更重要的是,，大多數(shù)的碳酸鈣是以方解石晶體形式存在，而且鑒于方解石晶體要比無定形碳酸鈣更加穩(wěn)定,，它也就可能在以地質(zhì)時間衡量的長時間范圍內(nèi)封存CO2,。2012年2月26日，Cappuccio在美國加州圣地亞哥市召開的生物物理協(xié)會會議中報道了他們的研究結(jié)果,。
來自美國波茲曼市蒙大納州立大學(xué)的生物工程師Robin Gerlach(未參與該項研究),，稱贊這項研究“至關(guān)重要”。他期待它有著廣泛的應(yīng)用,，包括穩(wěn)定洪水區(qū)水土,，分離放射性同位素以及通過追蹤碳酸鹽礦化來鑒定化石記錄中的早期生命。
但是Cappuccio是最先承認(rèn)這些研究結(jié)果還需要在更接近實(shí)際環(huán)境的條件下進(jìn)行驗(yàn)證,。她想在更接近于可能在地下發(fā)現(xiàn)的更高壓力,、更高溫度和更低pH條件下測試這種經(jīng)過基因修飾的細(xì)菌。最終,，她領(lǐng)導(dǎo)的研究小組想修飾更難培養(yǎng)的嗜極端菌(extremophile),，因?yàn)樗鼈兪巧L在非常熱的高溫環(huán)境下的細(xì)菌，更可能類似于在地下巖石中形成菌落的微生物,，而地下巖石正是封存CO2的地方,。(生物谷：towersimper編譯)
本文譯自ScienceNow, Kim Krieger , "Genetically Engineered Bacteria Could Help Fight Climate Change", 26 February 2012, 12:00 PM.
