[新聞] 微生物:可進行綠色清潔生產

一提到工廠,人們的眼前可能會浮現出高聳的煙囪,轟鳴的大型機器設備,抑或是排列整齊的生產流水線。
人們很少會聯想到需要藉助顯微鏡才能看到的病毒、細菌、真菌等微生物。

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在人們的印像中,微生物往往是食品腐敗和各種傳染病的“罪魁禍首”,常令人恨之入骨。那麼,微生物與“工廠”是怎麼扯上關係的呢?微生物“細胞工廠”是怎麼建立的,用於生產什麼產品呢? “臟兮兮”的微生物又怎麼能進行綠色清潔的生產呢?帶著這一系列的問題,讓我們一起來揭開微生物“細胞工廠”的神秘面紗。

小小微生物本領大

我們需要重新認識一下微生物,正確地評價這些小生命。微生物種類繁多,有記載的就高達幾十萬種,而微生物的壞名聲是受到群體中個別罪大惡極的“恐怖分子”拖累,比如令人色變的SARS病毒、禽流感病毒、金黃色葡萄球菌等。

大部分微生物為人類的健康和生產生活默默地貢獻著,比如用於啤酒生產的釀酒酵母、用來製作酸奶的乳酸菌以及我們體內的各種腸道益生菌等。微生物個體雖小,但胃口極大,代謝非常旺盛,而且繁殖能力驚人。以大腸桿菌為例,它每天能吃掉相當於自身體重約2000倍的葡萄糖,能繁殖約72代。這“大胃王”“超生王”的本領賦予了微生物快速地消化形形色色“食物”的能力。

當然,不同的微生物“口味”也不相同,有些可能喜歡吃葡萄糖,有些偏偏喜歡吃垃圾。它們能消化包括從簡單的葡萄糖和甘油,到纖維素和動植物廢棄物,甚至石油、塑料和垃圾等所有東西。同時,某些微生物天生就能生產許多對人類非常有用的物質,包括各種有機酸(如飲料中的檸檬酸和酸奶中的乳酸)、乙醇(如酒)、氨基酸(如味精中的谷氨酸)、維生素和抗生素等。因此,每個微生物細胞就像一座“微型工廠”,具有“變廢為寶”的神奇魔力。那麼,是什麼決定著微生物具有這樣的本領呢?其實,和自然界的其他生物一樣,微生物的這些本領都蘊藏在它的基因信息中,一個或者多個相關基因的組合就決定著微生物具有某種特定的本領。

改造微生物的基因信息

近年來,隨著石油資源的枯竭和自身健康的需求,人類對能源(如汽油)、醫藥(如抗生素、抗癌藥物、抗心血管病藥物)、化工產品(如橡膠、塑料)、環境保護等與生產生活息息相關的領域提出了更高的要求。於是,生物工程師們提出了通過人工改寫微生物的基因信息,讓微生物按照工程師們設定的程序進行工作,使微生物擁有更強大的“變廢為寶”的本領。這樣,經改造的微生物細胞就像一座座不同的“微型工廠”,生產各種人類需要的產品。

那麼,如何改造微生物的基因信息呢?這個問題需要打一個形象的比喻來解答。我們可以把一個細胞看成一台電腦:細胞內部負責不同物質合成或者分解的代謝途徑,就好比電腦內部的主板、內存、硬盤等模塊;而細胞的某個代謝途徑往往由一串生化反應組成,每個生化反應相當於電腦的一個邏輯門。在生物體內,生化反應往往由某個相應基因編碼的酶催化的,因此基因或者酶就組成電腦主板中一個個具體的零部件(元件)。電腦組裝是通過將模塊化、標準化的零部件進行組裝、集成來實現的。在生物工程師們的眼裡,他們把基因當作電腦的零件,而且它可以來自於自然界中所有形形色色的微生物、植物、動物。通過將這些功能相關的基因元件在某個選定的微生物中進行裝配後,就可以構建具有預期功能的改造微生物。

我們知道,電腦零件之間的性能不匹配,往往會引起電腦故障或者性能低下。對於基因元件也是如此。某個或者多個基因元件之間,或者是我們從其他生物收集來的基因與我們要改造的微生物匹配性較差,也會使得構建的“細胞工廠”不工作或者效率低下。為了克服這些問題,生物工程師們的一個重要的任務就是不斷地發現和收集新的或者性能更加的基因元件,同時對已有的基因元件進行一些測試工作,對它們的一些特性參數進行整理歸檔,便於改造微生物的時候能夠選用更好的。

“細胞工廠”造福人類

目前,微生物“細胞工廠”應用最成功的例子要數植物來源的珍稀藥物的生產和利用生物質合成生物能源。我們知道,許多重要植物來源藥物的生產都是直接從植物中提取。這樣的生產方式受到有效成分在植物體內含量少、植物生長緩慢等因素嚴重製約,遠遠無法滿足人類需求。而且,直接由植物體提取時需消耗大量的自然資源,這對環境也是一種巨大的破壞。以重要的抗癌藥物紫杉醇為例,僅一劑藥的量往往就需要消耗2~4棵成年的紅豆杉。

圖:微生物“細胞工廠”的構建與用途

美國加州大學洛杉磯分校的基斯林教授等人,將植物黃花蒿中與合成青蒿素相關的多個基因導入到了釀酒酵母細胞中,使酵母細胞能夠利用簡單的葡萄糖合成青蒿酸。隨後,工程師們花費了約10年的研究,就像電腦性能的不斷升級一樣,它們通過生物元件性能的改造和元件相互兼容性的提升,不斷地提高酵母“細胞工廠”的效率。利用成熟的微生物大規模發酵培養技術,這種酵母“細胞工廠”可以在幾十噸,甚至幾百噸的大型發酵罐中進行培養。經過數天的發酵後,青蒿酸的產量已經突破了25克/升。結合簡單的化學半合成方法,可以簡單地將青蒿酸轉化為青蒿素。這樣的生產速度大大超過了從天然植物中抽提的效率,避免森林資源的破壞,同時由廉價的葡萄糖生產的青蒿素比從植物中抽提便宜了很多。

利用類似的方法,國內外的生物工程師們還在大腸桿菌和酵母菌構建了生產番茄紅素、β-胡蘿蔔素、紫杉醇的前體化合物,人參皂苷等一系列的微生物“細胞工廠”。最近,我們實驗室也成功地利用大腸桿菌生產出了原產於植物甜葉菊中的甜菊糖。它的甜度比蔗糖強200~300倍,熱值僅為蔗糖的1/300,經常食用可以預防高血壓、糖尿病等許多慢性疾病。這些成功的例子告訴我們,人類已經可以從這些微生物“細胞工廠”中高效廉價地獲取廣告中常提到的各種“植物精華”成分,這將為我們疾病治療和保健做出巨大貢獻。

除珍稀的藥物成分外,隨著石油資源的枯竭,生物工程師們正在構建一系列能夠消化再生木質纖維素(如秸稈、樹枝樹葉等),生產各種生物能源(如乙醇、正丁醇)或是異戊二烯(橡膠)、聚乳酸(可降解塑料)等化工原料的微生物“細胞工廠”。相比以上這些需要消化生物質的微生物“細胞工廠”,生物工程師們將目標轉向了一種能夠直接吸收太陽能和二氧化碳進行生長繁殖的微生物——藍細菌。在藍細菌中導入負責生產各種生物能源或藥物相關的基因元件,可以構建更加綠色清潔的“細胞工廠”。目前,研究人員已經利用這些光合細菌成功地生產出了正丁醇、氫氣、丙酮等產品。近來,中國科學院的研究人員成功地讓藍細菌利用光和二氧化碳生產出了蔗糖。

了解了這些,你是不是對這些不起眼的微生物肅然起敬啊!隨著生物工程師們的不斷努力,小小的微生物必將從根本上改變我們的生產生活,讓我們的地球變得更加美好。

本文來源 科學畫報

一提到工廠,人們的眼前可能會浮現出高聳的煙囪,轟鳴的大型機器設備,抑或是排列整齊的生產流水線。 人們很少會聯想…


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