利用遗传方法，亚利桑那州立大学生物设计研究所的研究人员让光合微生物分泌出了油——这就绕过了阻碍绿色生物燃料生产的能源和成本的障碍。他们的研究成果本周发表在了《美国科学院学报》（PNAS）的网络先行版上。
开发一种能够与目前石油的可扩展性与低成本相竞争的可再生生物燃料来源的挑战令人生畏。“任何生物燃料生产的真正成本在于收获燃料前体并把它们转化成燃料，”生物设计研究所的传染病与疫苗学中心主任、生命科学学院教授Roy Curtiss说。“通过让细菌把它们珍贵的货物释放到细胞之外，我们优化了细菌代谢工程，从而开发出了生物燃料生产的一种真正绿色的路径。”
该研究的第一作者Xinyao Liu和Curtiss使用了他们在开发细菌疫苗的专家技能，对用于生物燃料生产的蓝细菌进行了遗传优化。去年，他们有能力修改这些微生物，引发它们自我毁灭，并释放出它们的脂质。然而在这个研究组的最新努力中，提取富含能量的脂肪酸的过程不需要杀死这些细胞。
“在中国，我们有一句谚语，”Liu说。“不要杀鸡取卵。”该研究组并没有杀死这些蓝细菌，而是巧妙地重新修改了它们的遗传结构，产生了通过细胞壁持续分泌脂肪酸的突变菌株。这些蓝细菌本质上就像微型的生物燃料生产厂。
Liu意识到如果能让蓝细菌过度生产脂肪酸，它们在细胞壁内部的积累将最终导致这些脂肪酸通过细胞膜扩散出去。为了实现这种情况，Liu向蓝细菌引入了一种特定的酶，称为硫脂酶 。
这种酶有能力把脂肪酸从复杂的载体蛋白质上分离，把在细胞内部积累的它们解放出来，直到细胞开始分泌它们。“我使用了能把脂肪酸从脂合成路径中偷走的基因，”Liu解释说。他还指出，硫脂酶有效地剪断了把脂肪酸和更复杂的分子连接起来的键。这种使用修改过的硫脂酶从而导致脂肪酸的分泌的方法是在十多年前首先由伊利诺伊大学的John Cronan在大肠杆菌上实现的。
通过遗传删除或修改细胞外套的两个关键的层（称为S和肽聚糖层），另一串修改增强了这个分泌的过程，让脂肪酸更容易地逃出细胞，它们在水中的溶解度低导致了它们析出了溶液，在表面形成了发白的残余物。研究结果显示，在对这两层细胞膜进行了遗传修改之后，脂肪酸产量增加到了原来的3倍。
为了进一步改善脂肪酸产量，该研究组加入了一些基因，让脂肪酸前体过度生产，并取消了对于蓝细菌的生存并不关键的一些细胞路径。这种修改确保了这种微生物的资源专门用于基本的生存和脂生产。
Liu强调说，当前的这项研究进展非常快，从最初研究开始到产生首批菌株只用了大约6个月的时间——他把原因归结于在生物设计研究所整合的微生物遗传操纵领域的强大专家技能。“我不认为其他任何研究组有能力做得这么迅速，”他说。
Roy Curtiss教授对此表示同意，他指出，“这个开创性的进展是把一些此前在其他细菌和植物中描述的遗传修改和酶活动在改造过的蓝细菌菌株中结合起来，并且引入了新发现的修改，从而增加脂肪酸的生产和分泌。迄今为止，结果令人鼓舞，而且我们有信心取得更大的改进，从而实现目前研发的菌株的更高的生产力。此外，优化与扩大规模有关的生长条件也将改善生产力。”
该研究组的成员还包括研究人员 Daniel Brune 和 Wim Vermaas。随着研究的继续，该研究组对于取得显著更高的脂肪酸产量感到乐观。
这项研究为实际使用这种有前途的清洁能源打开了大门。（生物谷Bioon.com）
更多阅读
Nature：DNA去甲基化与细胞重编程
Science：2008年十大科学进展——细胞重编程
Nature：成年细胞可重编程为分泌胰岛素的细胞
生物谷推荐原文出处：
PNAS doi: 10.1073/pnas.1001946107
Production and secretion of fatty acids in genetically engineered cyanobacteria
Xinyao Liua, Daniel Bruneb, Wim Vermaasb, and Roy Curtiss IIIa,b,1
aCenter for Infectious Diseases and Vaccinology, The Biodesign Institute, and
bSchool of Life Sciences, Arizona State University, Tempe, AZ 85287-5401
Our purpose is to apply a fatty acid secretion strategy in photosynthetic microbial biofuel production, which will avoid the costly biomass recovery processes currently applied in algal biofuel systems. Starting with introducing acyl-acyl carrier protein thioesterases, we made five successive generations of genetic modifications into cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803. The mutant strains were able to overproduce fatty acids (C10–C18) and secrete them into the medium at an efficiency of up to 133 ± 12 mg/L of culture per day at a cell density of 1.5 × 108 cells/mL (0.23 g of dry weight/liter). Fatty acid secretion yields were increased by weakening the S layer and peptidoglycan layers. Although the fatty acid secreting strains had a long lag phase with many cells having damaged cell membranes when grown at low cell densities, these strains grew more rapidly in stationary phase and exhibited less cell damage than wild-type in a stationary culture. Our results suggest that fatty acid secreting cyanobacteria are a promising technology for renewable biofuel production.
