细菌可将工业废气转化为工业化学品

美国能源部属下劳伦斯伯克利国家实验室的生物燃料专家科琳娜．斯考恩说，虽然她没有参与相关的研究，但根据生物学来利用废气并生产工业化学品确实是令人兴奋的消息，它同时解决了两个难以脱碳部门，即钢铁生产及工业化学品面对的棘手问题。

人类利用细菌制造酒精、奶酪和酸奶等产品已经有数千年历史，但工业规模的生物技术却是直到20世纪初才真正起飞，例如，犹太裔化学家哈伊姆．魏茨曼（1874–1952）设计了几种梭状芽孢杆菌，将淀粉和糖转化为丙酮，这是制造堇青石（一种无烟火药的替代品）的基本成分。魏茨曼取得的成功是盟军在第一次世界大战中获胜的关键，并使他声名鹊起；而这名犹太复国主义政治家也于1949年成为以色列第一位总统。

在20世纪50年代及60年代，石油工业的兴起为化学品制造商生产几十种商业化学品提供了更便宜的起始材料，大多数细菌则被丢到工业垃圾桶。

但不是全部。酵母和大肠杆菌至今仍被广泛用来生产一系列的商业化学品，包括用于燃料的乙醇以及用于制造药品与塑料的化合物。不过，这些工业母机也有自己的环境足迹，因为它们发酵的糖和淀粉来自玉米和甘蔗等作物。根据预测，到2026年时，在美国为制造乙醇而种植的玉米将占全国农田的19%。

生物技术公司LanzaTech的合成生物学家迈克尔．克普克说，合成生物学家如今正在推动使用工业、垃圾场及农作物生产产生的废气，以更环保的方式培育细菌。

在上世纪90年代，研究人员设计了自生梭菌（Clostridium auto），一种最初从兔子粪便中提取的细菌，再利用氢气及一氧化碳生产乙醇。从那时候起，研究人员慢慢提高了乙醇产量，并将该工艺商业化。2018年6月，LanzaTech公司开设第一家乙醇工厂，利用兔子粪便中的细菌从钢铁厂的废气（主要是一氧化碳、二氧化碳及氢气的混合气体）中制造乙醇，否则这些废气将被排入大气中。LanzaTech公司现在利用这项技术，每年可以生产约9万吨的乙醇。

尽管如此，自生梭菌从未与大肠杆菌或酵母的多功能性相提并论。美国西北大学的合成生物学家迈克尔．朱伊特说，到目前为止，梭菌的培植工程一直很困难。这种细菌生长缓慢，暴露在氧气中就会死亡。此外，研究人员很少有定制的基因编辑工具来改变细菌的代谢。

自生梭菌可以生产各种化学品

直到最近，朱伊特、克普克和他们的团队使用了一种多步骤策略来哄骗自生梭菌产生丙酮和异丙醇（IPA），一种可以在消毒剂及清洁剂中发现的无色液体。他们从已退休的南非细菌学家大卫．琼斯（魏茨曼在生时最后的博士后助理之一）维护的272个食糖梭状芽孢杆菌菌株的集合开始。

研究小组分解了这些细菌细胞，并在其中寻找似乎在丙酮生物合成中起作用的酶。他们对其中30种酶的基因进行了测序，并通过称为质粒的基因传递载体将它们的组合插入到自生梭菌中。另外，研究人员还设计了自生梭菌的新陈代谢，以防止碳和氢的构件制造其他不需要的化学品。

最终，朱伊特、克普克和他们的团队生成并筛选了可以生产化学品的247种细菌的遗传变体。根据他们于2月21日在《自然生物技术》杂志发表的研究报告，自生梭菌的菌株能够持续地将钢铁废气转化为足够的丙酮和异丙醇，使其成为大规模商业生产的可行候选者。

朱伊特预计，同样的过程可以使自生梭菌生产各种化学品，如清漆中使用的丁醇和化妆品中的丙二醇。科琳娜．斯考恩表示，新型合成生物学技术还可以帮助将其他顽固的细菌转化为工业主力；“就未来可能可行的（细菌）宿主而言，我们只是触及了表面而已。”

这一进展也可能为以其他废气为食的工程细菌打开大门，例如由城市固体废物和农业残渣产生的废气。而且，如果像自生梭菌一样，这些细菌在制造其产品时使用的碳比释放到大气中的更多，那么工业化学品生产有朝一日可能会从温室气体的流氓变成冠军。