利用遺傳方法，亞利桑那州立大學(xué)生物設(shè)計(jì)研究所的研究人員讓光合微生物分泌出了油——這就繞過了阻礙綠色生物燃料生產(chǎn)的能源和成本的障礙,。他們的研究成果本周發(fā)表在了《美國科學(xué)院學(xué)報(bào)》（PNAS）的網(wǎng)絡(luò)先行版上。
開發(fā)一種能夠與目前石油的可擴(kuò)展性與低成本相競爭的可再生生物燃料來源的挑戰(zhàn)令人生畏,。“任何生物燃料生產(chǎn)的真正成本在于收獲燃料前體并把它們轉(zhuǎn)化成燃料,，”生物設(shè)計(jì)研究所的傳染病與疫苗學(xué)中心主任、生命科學(xué)學(xué)院教授Roy Curtiss說,。“通過讓細(xì)菌把它們珍貴的貨物釋放到細(xì)胞之外,，我們優(yōu)化了細(xì)菌代謝工程,，從而開發(fā)出了生物燃料生產(chǎn)的一種真正綠色的路徑,。”
該研究的第一作者Xinyao Liu和Curtiss使用了他們在開發(fā)細(xì)菌疫苗的專家技能，對用于生物燃料生產(chǎn)的藍(lán)細(xì)菌進(jìn)行了遺傳優(yōu)化,。去年,，他們有能力修改這些微生物，引發(fā)它們自我毀滅,，并釋放出它們的脂質(zhì),。然而在這個研究組的最新努力中，提取富含能量的脂肪酸的過程不需要?dú)⑺肋@些細(xì)胞,。
“在中國,，我們有一句諺語，”Liu說,。“不要?dú)㈦u取卵,。”該研究組并沒有殺死這些藍(lán)細(xì)菌，而是巧妙地重新修改了它們的遺傳結(jié)構(gòu),，產(chǎn)生了通過細(xì)胞壁持續(xù)分泌脂肪酸的突變菌株,。這些藍(lán)細(xì)菌本質(zhì)上就像微型的生物燃料生產(chǎn)廠。
Liu意識到如果能讓藍(lán)細(xì)菌過度生產(chǎn)脂肪酸,，它們在細(xì)胞壁內(nèi)部的積累將最終導(dǎo)致這些脂肪酸通過細(xì)胞膜擴(kuò)散出去,。為了實(shí)現(xiàn)這種情況，Liu向藍(lán)細(xì)菌引入了一種特定的酶,，稱為硫脂酶 ,。
這種酶有能力把脂肪酸從復(fù)雜的載體蛋白質(zhì)上分離，把在細(xì)胞內(nèi)部積累的它們解放出來,，直到細(xì)胞開始分泌它們,。“我使用了能把脂肪酸從脂合成路徑中偷走的基因，”Liu解釋說,。他還指出,，硫脂酶有效地剪斷了把脂肪酸和更復(fù)雜的分子連接起來的鍵。這種使用修改過的硫脂酶從而導(dǎo)致脂肪酸的分泌的方法是在十多年前首先由伊利諾伊大學(xué)的John Cronan在大腸桿菌上實(shí)現(xiàn)的,。
通過遺傳刪除或修改細(xì)胞外套的兩個關(guān)鍵的層（稱為S和肽聚糖層）,，另一串修改增強(qiáng)了這個分泌的過程，讓脂肪酸更容易地逃出細(xì)胞,，它們在水中的溶解度低導(dǎo)致了它們析出了溶液,，在表面形成了發(fā)白的殘余物,。研究結(jié)果顯示，在對這兩層細(xì)胞膜進(jìn)行了遺傳修改之后,，脂肪酸產(chǎn)量增加到了原來的3倍,。
為了進(jìn)一步改善脂肪酸產(chǎn)量，該研究組加入了一些基因,，讓脂肪酸前體過度生產(chǎn),，并取消了對于藍(lán)細(xì)菌的生存并不關(guān)鍵的一些細(xì)胞路徑。這種修改確保了這種微生物的資源專門用于基本的生存和脂生產(chǎn),。
Liu強(qiáng)調(diào)說,，當(dāng)前的這項(xiàng)研究進(jìn)展非常快,，從最初研究開始到產(chǎn)生首批菌株只用了大約6個月的時間——他把原因歸結(jié)于在生物設(shè)計(jì)研究所整合的微生物遺傳操縱領(lǐng)域的強(qiáng)大專家技能,。“我不認(rèn)為其他任何研究組有能力做得這么迅速，”他說,。
Roy Curtiss教授對此表示同意,，他指出，“這個開創(chuàng)性的進(jìn)展是把一些此前在其他細(xì)菌和植物中描述的遺傳修改和酶活動在改造過的藍(lán)細(xì)菌菌株中結(jié)合起來,，并且引入了新發(fā)現(xiàn)的修改,，從而增加脂肪酸的生產(chǎn)和分泌。迄今為止,，結(jié)果令人鼓舞,，而且我們有信心取得更大的改進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)目前研發(fā)的菌株的更高的生產(chǎn)力,。此外,，優(yōu)化與擴(kuò)大規(guī)模有關(guān)的生長條件也將改善生產(chǎn)力。”
該研究組的成員還包括研究人員 Daniel Brune 和 Wim Vermaas,。隨著研究的繼續(xù),，該研究組對于取得顯著更高的脂肪酸產(chǎn)量感到樂觀。
這項(xiàng)研究為實(shí)際使用這種有前途的清潔能源打開了大門,。（生物谷Bioon.com）
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生物谷推薦原文出處：
PNAS doi: 10.1073/pnas.1001946107
Production and secretion of fatty acids in genetically engineered cyanobacteria
Xinyao Liua, Daniel Bruneb, Wim Vermaasb, and Roy Curtiss IIIa,b,1
aCenter for Infectious Diseases and Vaccinology, The Biodesign Institute, and
bSchool of Life Sciences, Arizona State University, Tempe, AZ 85287-5401
Our purpose is to apply a fatty acid secretion strategy in photosynthetic microbial biofuel production, which will avoid the costly biomass recovery processes currently applied in algal biofuel systems. Starting with introducing acyl-acyl carrier protein thioesterases, we made five successive generations of genetic modifications into cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803. The mutant strains were able to overproduce fatty acids (C10–C18) and secrete them into the medium at an efficiency of up to 133 ± 12 mg/L of culture per day at a cell density of 1.5 × 108 cells/mL (0.23 g of dry weight/liter). Fatty acid secretion yields were increased by weakening the S layer and peptidoglycan layers. Although the fatty acid secreting strains had a long lag phase with many cells having damaged cell membranes when grown at low cell densities, these strains grew more rapidly in stationary phase and exhibited less cell damage than wild-type in a stationary culture. Our results suggest that fatty acid secreting cyanobacteria are a promising technology for renewable biofuel production.
