苏黎世联邦理工学院的研究人员在实验室中设计了细菌，以有效地利用甲醇。现在可以利用这些细菌的新陈代谢来生产目前化学工业用化石燃料制造的有价值的产品。

简述

• 甲醇可以使用可再生能源从二氧化碳和水中合成。
• 当这种绿色甲醇被专门的细菌代谢时，可以通过生物技术生产各种化学物质。
• 这些细菌的应用可以使化学工业将温室气体二氧化碳转化为有价值的气候中性化学品，并大大减少其生态足迹。

为了生产各种化学品，如塑料、染料或人造香料，化学工业目前严重依赖原油等化石资源。“在全球范围内，它每年消耗5亿吨，或每天超过100万吨，”苏黎世联邦理工学院微生物学研究所教授Julia Vorholt说。“由于这些化学转化是能源密集型的，因此真正的一氧化碳2化工行业的足迹甚至大了六到十倍，约占全球总排放量的百分之五。她和她的团队正在寻找减少化学工业对化石燃料依赖的方法。

绿色甲醇

以甲醇为食的细菌，称为甲基营养菌，是这些努力的核心。甲醇只含有一个碳原子，是最简单的有机分子之一，可以从温室气体二氧化碳和水中合成。如果这种合成反应的能量来自可再生能源，则甲醇被称为“绿色”。

“有天然的甲基营养生物，但尽管进行了大量的研究工作，但在工业上使用它们仍然很困难，”Vorholt研究小组的博士后研究员Michael Reiter说，该小组与生物技术上广为人知的模型细菌“有天然的甲基营养生物，但尽管进行了大量的研究工作，但在工业上使用它们仍然很困难，”Vorholt研究小组的博士后研究员Michael Reiter说，该小组与生物技术上广为人知的模型细菌合作合作。Vorholt的团队多年来一直在追求使这种在糖上生长的模型细菌具有代谢甲醇的能力。

新陈代谢的完全重组

“这是一个重大挑战，因为它需要对细胞的新陈代谢进行完全重组，”Vorholt说。最初，研究人员使用计算机模型模拟了这种变化。基于这些模拟，他们选择了两个要删除的基因和三个要引入的新基因。“因此，细菌可以吸收甲醇，尽管数量很少，”Reiter说。

他们在实验室的特殊条件下继续生长细菌一年多，直到微生物能够从甲醇中产生所有细胞成分。在大约1000多代的过程中，这些合成的甲基营养生物变得越来越有效，最终在仅喂食甲醇时每四小时翻一番。“生长速度的提高使细菌在经济上变得有趣，”Vorholt说。

通过功能丧失进行优化

正如 Vorholt 的团队在他们最近的外部页面发表的论文call_made，几个随机发生的突变是甲醇利用效率提高的原因。这些突变中的大多数导致各种基因的功能丧失。乍一看，这令人惊讶，但仔细观察后，很明显，由于基因功能的丧失，细胞可以节省能量。例如，一些突变导致重要生化反应的逆反应失败。“这消除了多余的化学转化，优化了细胞中的代谢通量，”研究人员写道。

为了探索合成甲基营养生物在生物技术生产工业相关散装化学品方面的潜力，Vorholt和她的团队为细菌配备了四种不同生物合成途径的额外基因。在他们的研究中，他们现在表明细菌确实在所有情况下都产生了所需的化合物。

多功能生产平台

对于研究人员来说，这清楚地证明了他们的工程细菌可以兑现最初的承诺：微生物是一种高度通用的生产平台，可以根据“即插即用”原理插入生物合成模块，促使细菌将甲醇转化为所需的生化物质。

然而，研究人员仍然需要显着提高产量和生产力，以实现经济上可行的细菌使用。Vorholt 和她的团队最近获得了一项创新基金，“以进一步扩大应用计划，并选择首先关注的产品，”Vorholt 说。

利用甲醇的细菌生产塑料等可再生化学品的循环

当 Reiter 谈到如何优化生物反应器中的细菌培养时，他充满了热情。“鉴于气候变化的挑战，显然需要化石资源的替代品，”他说。“我们正在开发一种不会排放额外一氧化碳的技术2进入大气层，“Reiter说。由于合成的甲基营养生物，除了绿色甲醇之外，不需要任何额外的碳源来生长和产物，因此它们允许“生产不会给环境带来负担的可再生化学品”。

原文链接：https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2024/04/bacteria-for-climate-neutral-chemicals-of-the-future.html