为更多汽油注入基因

毒性管理是生物学中常见的问题。在人体中，毒素通过一系列生化过程和运输机制被清除，从而产生汗液、尿液和粪便。在细菌中，这个过程要简单得多。不需要的分子被识别、捕获，然后被运出细胞，这样它们就不再会造成伤害了。这种现象被称为外排。

已经确定并阐明了从重金属到抗生素等多种潜在微生物毒素的流出途径。当这些作用增强时，输出效率就会提高。总体结果是增强了对细胞中可能存在的任何物质的耐受性。

从生物工程的角度来看，这是个好消息。一个被大力推广的外排系统可以提高化学物质的生产，而不必担心细菌因毒性作用而损失。这在有机溶剂和生物燃料的形成中尤其重要。有了有效的方法将这些有时致命的化学物质送出微生物细胞内空间，细菌就能有效地确保它们的生存。

过去几年，一种特殊的分子异戊醇（也称为 3-甲基-1-丁醇和异戊醇）因其在细菌中快速生产而备受关注。这种短链醇已被证明是许多不同行业的前体，从制药到工业化学品，再到调味剂，如具有香蕉香气的乙酸异戊酯。但它真正的前景在于它能够像乙醇一样作为一种即用型生物燃料。

2008 年，首次报道了利用细菌制造异戊醇的工艺，当时使用的是最常见的生物工程菌种大肠杆菌。当时，该工艺被认为是一项突破，尽管尚未准备好进行大规模生产。到 2012 年，人们发现了一种合成途径，可以将这种化合物大规模生产到细菌中。产量大幅增加，扩大生产的可能性也随之增加。

但还有一个问题。一开始，微生物工厂的规模和产能增加会很棒，但随着微生物大量生产产品，它们可能会因为产品的毒性而自杀。虽然它们会有效地履行职责，但最终它们会早早地死于工作中。

异戊醇对大肠杆菌的毒性水平为每升 2 至 8 克，远远低于任何显著的益处。为了解释这一点，必须找到一个新的方向来确保在足够高的水平上持续输出。为了做到这一点，可以考虑两种方法。可以将新的合成途径设计到细胞中并测试是否有任何益处。另一种方法是在异戊醇浓度不断上升的情况下对细菌进行物理压力，并在基因水平上观察微生物的反应。

对于来自加州和新加坡的合作研究小组来说，后一种选择是最好的前进方向。上周，他们报告了他们试图确定耐受异戊醇毒素和通过工程提高产量所需的具体机制。正如该团队所了解到的，给大肠杆菌施加一点压力会带来显著而有用的回报。

实验相对简单。研究小组培养细菌，然后将它们暴露在亚致死浓度的异戊醇中。在 24 小时内，他们收集样本并在基因层面进行分析。如果任何基因相对于未暴露的对照表现出表达增加，就会将其克隆并植入另一个菌株中。然后重复该过程。虽然任何基因都可以，但最终目标是识别与外排途径相关的一个或多个基因。

在最初的测试中，有 40 个可能的基因候选者被选中。随着轮次的进行，候选基因减少到只有 8 个。为了进一步降低这一数字，该团队调查了基因表达是否会导致异戊醇产量增加。8 个候选基因中有 6 个符合条件，其中一个候选基因将产品浓度提高了 55%。

尽管这些都是好消息，但该团队仍希望找到一种外排蛋白。随着实验的继续，他们发现了一个基因，即假定的多药 ABC 转运蛋白，简称mdlB 。该基因的蛋白质产物被怀疑是一种药物转运蛋白，被认为会给细菌带来抗生素耐药性。虽然这给公共卫生带来了负担，因为它会导致抗生素耐药性，但对作者来说，这却是一座金矿。对他们来说，这是未来研究提高产量和增加耐受性的完美候选对象。

本研究对外排机制的识别凸显了生物燃料生产的未来发展方向。虽然识别燃料生产途径至关重要，但确保细菌在此过程中保持健康也同样重要。在异戊醇生产中，mdlB 基因满足了两种需求。首先，它将有助于确保维持分子的有效生产。但更重要的是，该基因可以充当救援机制。如果毒性水平开始上升，可以触发该分子过度表达，从而使微生物保持健康，更重要的是，继续泵送气体。