Science：取代化石燃料，科学家找到利用微生物生产塑料等化工产品原料的全新方法
众所周知，乙烯在化学工业中被广泛用于制造几乎所有的塑料，是制造业中使用量最大的有机化合物。不仅如此，乙烯还是一种极为重要的基础化工原料，乙烯及其下游衍生物是生产塑料、粘合剂、冷却剂、橡胶和一些日常产品的主要原料。目前，生产乙烯的原料主要有石脑油、乙烷、液化石油气和煤（甲醇）四大类。
研究人员表示，这一发现有望代替当前利用化石燃料生产乙烯的高耗能方法，从而为乙烯的制造提供一条潜在生物生产途径。
North 补充道 ：“虽然培育这些菌株来生产大量的、可用于工业生产的乙烯气体，还有很多工作要做，但这扇大门已经打开。”
偶然实验促成重大发现
就在这个过程中，他惊讶地发现了乙烯。
North 说：“ 我们知道这些细菌正在产生氢气并消耗二氧化碳，但是它们在制造大量的乙烯气体，是很奇怪的。于是我们试图去了解细菌是如何做到这一点的，因为还没有已知的化学反应还能够解释这一现象。”
North 和他在俄亥俄州立大学的同事们研究了这种新的代谢过程，他们使用放射性化合物来追踪微生物的前体以及甲硫氨酸和乙烯的产生。但是，他们还需要一种不同类型的分析生物技术，来在该途径和酶之间建立关键的联系。
于是，Tabita 找到了领导着美国橡树岭国家实验室生物质谱小组的 Bob Hettich，他们分别在低硫产生乙烯和高硫不产生乙烯的两种不同条件下，对这些光合细菌中存在的蛋白质组进行了比较分析。
Hettich 说：“ 我们发现了一个惊人的差异 ”。数据显示，一个类似固氮酶的蛋白质在低硫产生乙烯样品中的含量高出近 50 倍。当硫含量较低时，一些与铁和硫相关的蛋白质也大量增加了，这表明硫代谢可能存在一条新的途径。
但是，在基因注释中，类似固氮酶的蛋白质与具有类似 DNA 序列的固氮酶归为一组，并且已知它们能将大气中的氮气转化为氨气。
微生物中类似固氮酶的特殊蛋白质，与挥发性有机硫化合物利用有关（来源：Science）
“但是数据就是数据。如果你以正确地的方式运行测量，即使你不知道先验答案，那么数据也将显示出其中真正的联系。”Hettich 说。
有了这些关键的蛋白质组数据，俄亥俄州立大学的研究人员和科罗拉多州立大学及太平洋西北国家实验室的同事们进行了一系列操纵细菌基因组的实验，以包含或移除基因簇 Rru_A0793-Rru_A0796。
这些基因的删除和替换就像开关一样关闭和开启了细菌中乙烯的生产过程，即固氮酶裂解碳硫键，将 2-甲硫基乙醇还原成制造甲硫氨酸的前体，在该途径中从而产生副产物乙烯。该研究也证实了该基因及其编码的酶对该乙烯代谢途径的重要性。
Tabita 将这项研究描述为是一次快乐的意外结果，他说：“ 这项研究涉及两所大学和两个国家实验室的合作研究和专业知识，最初，我们的研究目标是一个与这项发现完全不相关的研究问题，因此可以说这是一个‘偶然的发现往往会带来重要的进展’的完美例子。”
引发更多新的科学探索
未来的乙烯生产工厂可能会使用细菌而不是化石燃料
这些发现除了可作为一种潜在的生产乙烯的生物方法，用于塑料和其他工业产品的生产之外，还可以为处理积水和厌氧土壤中的农作物提供帮助，从而以防止乙烯过量引起的破坏，并给予这一新发现开发使农作物更健康生长的办法。
该研究的共同作者、科罗拉多州立大学土壤和作物科学副教授 Kelly Wrighton 说：“乙烯是一种重要的天然植物激素，适量的乙烯是植物生长和健康的关键。但过量的乙烯会对植物生长产生有害作用。”
North 补充道：“ 现在我们知道了它是如何发生的，也许可以规避或处理这些问题，从而在发生洪水时，不至于让乙烯在土壤中积累。”
总而言之，这项研究提出了许多新的科学问题，其中包括该途径是否涉及植物与微生物之间的相互作用。North 说：“ 这一发现引出了新的探索路线，这很令人兴奋，实际上也可能会对农业和其他农作物产生实质性的好处。”
但是 North 表示，所有的研究都是在实验室里完成的，所以这个过程在实际环境中到底有多普遍还有待观察。
排版：赵辰霞
编审：王新凯
资料来源：
https://science.sciencemag.org/content/369/6507
https://news.osu.edu/a-new-method-for-making-a-key-component-of-plastics/
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-08/drnl-sbc082120.php