基因序列允许光合生物稳定地产生乙烯

液体蓝藻培养是在NREL的Jianping Yu实验室培养的，以促进可持续的乙烯生产。资料来源:NREL的Dennis Schroeder

几十年来，工程师们一直梦想着对生物体进行编程，以可持续地生产乙烯，乙烯是一种化学物质，因其在塑料中的重要性而被昵称为“石化之王”。现在，一种有望实现这种石化的途径即将成为现实，即通过一种光合细菌，这种细菌在基因上专门将阳光和二氧化碳(CO2)转化为乙烯。但在工业能够装满绿色液体储罐之前，研究人员首先要克服乙烯生产过程中的一些代谢障碍。

由国家可再生能源实验室(NREL)领导的一个跨机构研究小组在破译光合酶途径方面取得了重要进展。在《自然通讯》的一篇题为《一种胍降解酶控制产乙烯蓝藻的稳定性》的文章中，研究人员报告了他们的发现，并证明了某种基因可以诱导产乙烯细菌的稳定性。他们的发现是一个受欢迎的突破，因为过去使用这种乙烯途径的尝试导致了细菌的遗传不稳定。

“到目前为止，光合作用产生乙烯的主要障碍来自生物体本身——它在乙烯的同时会产生一种有毒的副产物，”NREL的一名论文作者于建平说。“通过这项工作，我们现在知道可以使用基因技术处理有毒副产品。”

胍:太阳能驱动的乙烯生产中的不速之客

研究人员的方法很简单:劫持基因，从一种常见的植物病原体(丁香假单胞菌，一种导致叶子上棕色斑点的细菌)中产生乙烯，并将该基因引入一种利用光合作用获取能量的蓝藻中。如果一切正常，蓝藻会将太阳辐射和二氧化碳转化为乙烯;事实上，比任何其他生物途径都更有效。但相反，蓝藻慢慢死亡;研究人员表明，引入的基因途径也会产生胍，这是一种在蓝藻中造成遗传不稳定的毒素。

“我们的目标是了解这种途径中胍毒性的来源，以及细胞如何阻止它。为此，我们现在有了一个非常有说服力的方法。”

胍会导致蓝藻细胞色素代谢紊乱——当细胞的目的是利用它的色素来吸收光线时，这显然是一个不好的副产品。幸运的是，科学家们喜爱的一种特殊的蓝藻——synechocystis 6803——可以降解胍。那么，诀窍就是捕获这种遗传机制，并将其重新插入其他蓝藻细胞中。换句话说，引入另一个基因来稳定第一个基因，并导致不受阻碍的乙烯生产。

持久乙烯产量的基因组稳定性

基于该基因在产乙烯菌株中较高的表达以及其序列与其他已知的与胍相关的代谢机制的相似性，研究人员假设Synechocystis 6803中的一个特定基因在胍的降解中起作用。当研究人员从蓝藻细菌中敲除基因并观察到细胞在暴露于胍时的衰退时，这一猜测得到了证实。为了进一步验证该基因在胍降解中的作用，研究人员随后将该基因添加到另一个物种中。

在另一种蓝藻——聚藻球菌7942中，研究小组评估了该基因是否具有同样的降解胍的能力。聚藻球菌7942是科学家们改造的另一种最喜欢的物种。果然，就像第一个物种一样，经过改造的蓝藻可以代谢胍，从而防止遗传问题，并使乙烯持续产生。对这两种生物来说，这种基因有效地中和了胍，将有毒的化学物质转化为无害的尿素和氨。

清洁化学替代品的机会

生物生产的乙烯对清洁能源来说是一种双赢——它可以回收二氧化碳，并取代目前工业依赖的化石原料。与其他使用植物生物量作为起始材料的生物途径相比，这项工作所追求的方法直接由太阳提供燃料，这使得它在能量上更有利。

化工脱碳的工业应用是诱人的;生产用于清洁水源的PVC管道，甚至用于火星殖民的希望依然存在。这项工作显示了通过清除某些生物屏障来扩大生物乙烯生产的可能性。未来的研究可能会创造出更有效的胍降解酶，可能是通过本研究中描述的相同基因的进化。目前，该团队的工作推进了自然界中胍代谢的知识，并展示了一种增强乙烯生产的功能性方法。