化学工业主要依靠原油等化石资源来生产一系列化学品，包括塑料、染料和合成香料。
苏黎世联邦理工学院微生物研究所教授朱莉娅·沃霍尔特（Julia Vorholt）说：“在全球范围内，它每年消耗5亿吨，即每天消耗100多万吨。由于这些化学转化是能源密集型的，化学工业的真正二氧化碳足迹甚至要大6到10倍，约占全球总排放量的5%。”她和她的团队正在寻找减少化学工业对化石燃料依赖的方法。
绿色的甲醇
以甲醇为食的细菌，被称为甲基营养体，是这些努力的核心。甲醇仅含有一个碳原子，是最简单的有机分子之一，可以由温室气体二氧化碳和水合成。如果这种合成反应的能量来自可再生能源，则甲醇被称为“绿色”。
沃霍尔特研究小组的博士后研究员迈克尔·瑞特（Michael Reiter）说：“有天然的甲基化营养菌，尽管付出了大量的研究努力，但在工业上使用它们仍然很困难。”沃霍尔特的研究小组使用的是生物技术上已被充分理解的模型细菌大肠杆菌。沃霍尔特的研究小组多年来一直致力于为这种生长在糖上的模型细菌配备代谢甲醇的能力。
新陈代谢完全重组
“这是一个重大的挑战，因为它需要对细胞的新陈代谢进行彻底的重组，”沃霍尔特说。最初，研究人员使用计算机模型模拟了这种变化。基于这些模拟，他们选择了两个基因来移除，三个新基因来引入。“因此，细菌可以吸收甲醇，尽管只是少量的，”瑞特说。
他们在实验室的特殊条件下继续培养细菌一年多，直到微生物可以从甲醇中产生所有的细胞成分。在大约1000多代的过程中，这些合成的甲基营养体变得越来越高效，最终在只用甲醇喂养的情况下每4小时翻一番。“提高的生长速度使这种细菌在经济上变得有趣，”沃霍尔特说。
通过丧失功能来优化
正如沃霍尔特的团队在他们最近发表的论文中所描述的那样，几个随机发生的突变是提高甲醇利用效率的原因。这些突变大多导致各种基因功能的丧失。乍一看，这是令人惊讶的，但仔细观察，很明显，由于基因功能的丧失，细胞可以节省能量。例如，一些突变会导致重要生化反应的逆反应失效。研究人员写道：“这消除了多余的化学转化，优化了细胞中的代谢通量。”
为了探索合成甲基营养体在生物技术生产工业相关散装化学品方面的潜力，沃霍尔特和她的团队为这种细菌配备了四种不同生物合成途径的额外基因。在他们的研究中，他们现在表明，在所有情况下，细菌确实产生了所需的化合物。
多功能生产平台
对于研究人员来说，这是一个明确的证据，证明他们的工程细菌可以实现最初的承诺：微生物是一种高度通用的生产平台，生物合成模块可以根据“即插即用”原则插入其中，促使细菌将甲醇转化为所需的生化物质。
然而，研究人员仍然需要显著提高产量和生产力，以使这种细菌在经济上可行。沃霍尔特和她的团队最近获得了一笔创新基金，“用于进一步扩大应用计划，并选择优先关注的产品”。
当研究员迈克尔·瑞特谈到如何优化生物反应器中细菌的培养时，他充满了热情。“考虑到气候变化的挑战，很明显，化石资源的替代品是必要的，”瑞特解释说，“我们正在开发一种不会向大气中排放额外二氧化碳的技术。由于合成的甲基营养物除了绿色甲醇外，不需要任何额外的碳源来生长和生产，它们允许‘生产不给环境造成负担的可再生化学物质’”。
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