北京
生物工程师近日开发出一种普通细菌的新菌株，它能够仅以玉米秆中存在的三种主要糖类为食。这种能同时利用多种糖类的恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）新菌株本身已足够引人注目，但7月29日发表于《自然·通讯》（Nature Communications）上的一篇新论文，进一步揭示了该项目对生物制造未来的深远意义。 该研究团队由加州大学圣迭戈分校（UC San Diego）的生物工程师领导，他们通过这项研究，获得了关于如何利用进化来创造新型微生物菌株的新见解——这些菌株能够高效利用农业废弃物甚至混合塑料等低成本原料。 “考虑到未来最具经济可行性的生物制造原料很可能由多种不同成分的复杂混合物构成，这项工作具有广泛的应用前景。借助我们的自动化培养平台，我们通过进化手段，设计出了一种能够快速、同时吸收玉米秆中全部三种糖类的细菌菌株。”加州大学圣迭戈分校生物工程学教授、论文通讯作者亚当·费斯特（Adam Feist）表示。 “我们发现，关键在于让菌株在一种特定的混合糖环境中进化，要求菌株必须完全消耗掉所有三种糖，才能在与其它变异体的竞争中胜出。这最终培育出了‘多面手’菌株，而非狭窄的‘专才’。” **为复杂的废料流准备“多面手”** 展望未来，这种多才多艺的细菌通用菌株，对于建设未来的生物制造经济体尤为关键——该经济体需要高效利用农业废弃物、混合塑料等并非高度均一的低成本原料。 费斯特是加州大学圣迭戈分校未来生物制造中心主任。为了开展这项研究，团队使用了自动化的“适应实验室进化机器人”（Adaptive Laboratory Evolution Bot，简称ALEBot）平台。该系统能够在无人值守的情况下，长期连续运行进化实验，从而在短时间内筛选出具有理想特性的菌株。 研究人员指出，传统的进化策略往往会让微生物只擅长利用单一糖源，从而在复杂混合物中效率低下。而ALEBot平台迫使细菌在必须同时消耗三种糖的条件下竞争生存。这种“非此不可”的选择压力，最终诞生了能够同时高效摄取葡萄糖、木糖和阿拉伯糖这三种玉米秆主要糖分的全能菌株。 **从实验室到工业化的桥梁** 这项研究的突破之处不仅仅在于菌株本身，更在于其方法论。利用自动进化平台，科学家可以针对不同的废弃原料，快速定制出相应的“超级降解菌”。 在传统的生物制造中，原料的预处理成本往往占据总成本的大头。如果用一种能同时“吃掉”多种糖的细菌来替代传统的单一糖源发酵，将大大简化工艺流程，降低生产成本，使农业残留物这类廉价原料真正成为可行的工业原料。 此外，这种方法还有望应用于混合塑料的回收利用。不同类型的塑料混在一起，过去是回收的难题，而现在，这种进化策略或许能够催生出能同时分解多种塑料组分的微生物“杂食者”。 费斯特教授表示：“我们证明了一个重要原理：通过正确的进化压力和自动化平台，我们可以把微生物变成真正适应复杂混合底物的高效工厂。这为未来生物制造打开了全新的可能性。” 该研究团队下一步计划将这种策略推广到更广泛的原料体系，包括食品加工废弃物、城市固废中的有机组分以及混合塑料材料。他们相信，随着这类“全能型”菌株的不断开发，一个以废弃物为粮食、以生物法为核心的低成本制造时代将加速到来。
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