基因傳感器可以提高生物燃料產(chǎn)量

使細(xì)菌有一點(diǎn)自我意識(shí)，它們就可以更聰明地生產(chǎn)生物燃料。

這一結(jié)論出自加州大學(xué)伯克利分校（University of California, Berkele）的研究人員，他們報(bào)道了一種基因傳感器，可以使細(xì)菌調(diào)節(jié)基因表達(dá)，響應(yīng)關(guān)鍵中間體的變化水平，以制造生物燃料。這樣，細(xì)菌生產(chǎn)出了三倍多的燃料。這樣的傳感器調(diào)節(jié)系統(tǒng)最終可使高級(jí)生物燃料更便宜，使它們邁進(jìn)了一步，更具有經(jīng)濟(jì)可行性，可取代汽油類產(chǎn)品。

有一個(gè)問題，限制了細(xì)菌生產(chǎn)生物燃料的產(chǎn)量，這就是不能平衡不同的生物組分或前體，用以制造最終燃料產(chǎn)品。本周，《自然·生物技術(shù)》（Nature Biotechnology）上發(fā)表了一項(xiàng)研究，加州大學(xué)伯克利分?；瘜W(xué)工程和生物工程教授杰伊·柯斯林（Jay Keasling）及其同事描述了一種生物傳感器系統(tǒng)，可以讓細(xì)菌調(diào)節(jié)基因的生物燃料生產(chǎn)路徑，只需要依據(jù)細(xì)胞中的某種前驅(qū)體的數(shù)量。

研究者增加了以前報(bào)道過的一個(gè)菌種，就是改造過的大腸桿菌（E. coli），它制造生物燃料需要利用兩種基本生物成分，就是脂肪酸（fatty acids）和乙醇（ethanol）。在這一菌種的生命周期內(nèi)，一種前體產(chǎn)量高于另一種，效率低，而且有時(shí)會(huì)形成有害的狀態(tài)。

“這些路徑不平衡，”柯斯林說，“這些細(xì)胞浪費(fèi)原料，生產(chǎn)的一種前體多于另一種。”此外，他說，生物燃料生產(chǎn)有時(shí)會(huì)消耗太多的脂肪酸，細(xì)菌在它們生命周期的某一階段需要脂肪酸，這就使這種菌種很不穩(wěn)定。

柯斯林和同事們?cè)O(shè)計(jì)了一種細(xì)菌，他們利用自然存在的傳感器，響應(yīng)內(nèi)部脂肪酸和相關(guān)的分子的數(shù)量，相應(yīng)地調(diào)整它的路徑的活性。當(dāng)有限數(shù)量的脂肪酸存在于細(xì)胞內(nèi)時(shí)，這種傳感器-調(diào)節(jié)器分子就會(huì)關(guān)閉乙醇生產(chǎn)路徑和脂肪酸轉(zhuǎn)換路徑。相反地，當(dāng)細(xì)菌含有高水平的脂肪酸時(shí)，這些路徑的閘就會(huì)打開。

這種傳感器-調(diào)節(jié)器系統(tǒng)從兩方面改善了工程細(xì)菌，柯斯林說：代謝路徑獲得更好的平衡，因此，相對(duì)于另一種前體來說，一種前體的產(chǎn)量不會(huì)過多，而且，改良的細(xì)菌更穩(wěn)定，這是因?yàn)樯锶剂仙a(chǎn)不會(huì)剝奪細(xì)胞的生長(zhǎng)能力。這種“自我意識(shí)”增加了細(xì)菌生產(chǎn)生物燃料的數(shù)量，使理論最大值提高28%，比以前所報(bào)道的菌種提高三倍。

雖然這一改進(jìn)很顯著，但是生物燃料的生產(chǎn)仍然很有限，不能使這種燃料成為主流。“這有許多問題，包括代謝不平衡，都需要解決，才能使生物燃料更實(shí)際，”柯斯林在一封郵件中說。例如，擴(kuò)大這些大型實(shí)驗(yàn)培育，達(dá)到商業(yè)規(guī)模，也就是百萬升的數(shù)量，這就是一個(gè)挑戰(zhàn)。

基因調(diào)節(jié)器并不是唯一的鑰匙，可以開辟新生態(tài)生物燃料領(lǐng)域，但是，它是一流技術(shù)，可以提高生物燃料的產(chǎn)量，詹姆士·廖（James Liao）說，他是加州大學(xué)洛杉磯分校（University of California, Los Angeles）生物分子工程師。“傳感器-調(diào)節(jié)器系統(tǒng)是很有用的工具，就在我們現(xiàn)有的工具箱中。”