利用生命系统进化和克服复杂问题的能力，美国科学家已经创造出能够厌氧生产正丁醇、1,3-丁二醇和4-羟基-2-丁酮的大肠杆菌菌株。该团队确定了两个基因位点，负责改变碳从乙酰辅酶A流向有价值的C4商品化学品而不是生物质的流动。马修·戴维斯(Matthew Davis)在加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)米歇尔·张(Michelle Chang)的实验室读研究生时参与了这项研究，他将这项工作描述为“利用进化有效地找到复杂生物问题解决方案的经典实验策略的一个例子”。
生命系统在合成所需的碳化合物方面具有巨大的潜力，它们使用来自可再生资源的构建模块可以帮助化学生产摆脱对石化原料的依赖。然而，将生物途径从它们的天然产物，特别是更复杂的碳基分子中重新定向是很困难的。美国斯坦福大学化学和生物工程教授迈克尔·朱伊特(Michael Jewett)没有参与这项研究，他解释说:“细胞有进化和生长的目标，这与产生单一产品截然相反。”
Chang和她的团队使用了自然适应进化、基因敲除、酶筛选、代谢组学和遗传选择等技术，将大肠杆菌中正丁醇、1,3-丁二醇和4-羟基-2-丁酮的产量从11-20%提高到接近定量产量。这三种工业上相关的C4化学品可以进一步脱水，分别生产1-丁烯、1,3-丁二烯和甲基乙烯酮。
他们的策略依赖于使用产物滴度作为定量评估遗传特征的标记，并创造出连续的世代，最终，这些世代在细胞的调节和代谢网络中发生了巨大的变化。“我们设计了一个细胞生长和产物形成相关联的系统，这为细胞提供了一种进化优势，使其产生更多的产物，从而生长得更好，”戴维斯概述道。
戴维斯解释说，与合成诱变方法相反，适应性进化帮助研究小组发现了数量较少的强大突变。“例如，我们短暂地探索了化学诱变剂甲基磺酸乙酯，尽管这确实产生了性能更高的菌株，但它们的基因组包含50-150个突变，其中绝大多数可能对性能是中性的。”
研究人员已经开发出一种微生物平台，可以近乎定量地生产C4化学物质
该团队对31个分离菌株的基因组进行了测序，这些菌株来自三个独立的正丁醇、1,3-丁二醇和4-羟基-2-丁酮的生产，以确定基因组突变。研究小组发现，pcnB和rpoBC两个基因位点的突变足以使碳流发生必要的变化。
戴维斯说，他们使用的一些技术，如全基因组测序和代谢组学，使他们能够“更全面地探测微生物系统，深入了解它们是如何被调节的，并提出工程策略，以优化工业应用的生物系统”。他补充说:“转录重组的一般策略应该是未来研究的一个富有成果的领域。”
朱伊特说:“他们的工作为扩大生物经济转型的机会奠定了基础。”“我们身边的大多数东西，从油漆到鞋子，都是由新化石资源产生的碳基化学物质制造的，这些化学物质会向大气中释放二氧化碳。”生物制造为这些产品提供了一种不同的、更可持续的方法，将化学合成转向使用地面上的碳。”
“随着时间的推移，我相信发酵可以成为许多工业产品的可行制造方法，但前面还有很长的路要走，”戴维斯总结道。要考虑的事情太多了，但创造新事物的动力是我们每天的动力。”
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自2023年2月起担任化学世界的内容助理。自2016年以来，Ada一直是一名科学作家，她曾与麦吉尔科学与社会办公室、怀疑论询问者、SciMoms、Atlas Obscura和现在的化学世界合作。查看完整档案
