生物工程酵母将农业废弃物变“黄金”

美国长春藤盟校塔夫茨大学工程学院通过改变酵母菌上的蛋白传感器，让这种新型的酵母可以更广泛地将“废弃生物质”分解成有用的东西。图为显微镜下的酿酒酵母菌。（Masur/维基百科）

人类使用酵母的历史已有数千年，用其发酵谷物、水果或淀粉，生产啤酒、葡萄酒和面包。不久前，美国一所大学研发出一种生物工程酵母，可将农产品中的外壳和茎等废弃物变成工业用燃料、药品和塑料。

这个美国长春藤盟校塔夫茨大学（Tufts University）工程学院的研究团队，通过改变酵母菌上的蛋白传感器，让这种新型的酵母可以更广泛地将“废弃生物质”进行分解，将其变成有用的东西。他们将该成果写成论文，于今年7月发表在科学和医学书目资料库ScienceDirect网站的《代谢工程杂志》上。

农作物的玉米秆、谷壳和叶子以及小麦茎等，由于难以分解和消化而经常被丢弃，导致每年约有13亿吨的“废弃生物质”，但这些“废弃生物质”里面含有大量的木糖（戊醛糖）、阿拉伯糖（树胶醛糖）和纤维二糖等糖类，可以提供工业酵母充足的糖分来源。

此前，科学家经过酵母改造，让人们可以利用其生产胰岛素、人类生长激素、抗体等药物，甚至还可用于设计和生产疫苗等。还有一些生物工程酵母可成为用于生产生物塑料的一些原料，包括聚乳酸。这种原料可以做成包装材料和消费品等各种产品，且无需额外再从石油中提炼出来。

事实上，酵母多次被重新设计，用来制造药物的化合物，是因为这些化合物难以用人工的方式合成，经常需要从一些稀有的植物中提取。这些物质包括用于缓解晕车和术后恶心的东莨菪碱、用于治疗帕金森病的阿托品以及用于治疗疟疾的青蒿素。

另外，由酵母生产的乙醇是一种广为人知的生物燃料，但研究人员还对这种生物体进行了改造，让酵母可以生产异丁醇和异戊醇等其它燃料，它们燃烧产生的能量要比乙醇更高。

研究团队还选用天然的酵母在半乳糖生长期间，使用“蛋白传感器”（Gal3p）来分解半乳糖。半乳糖的蛋白传感器，在被激活时不仅会让半乳糖的代谢基因显现，还会让整体代谢重塑，以支持酵母有效生长。

“蛋白传感器”是一种蛋白质，对某些特定或指定的化学物质进行挑选。为此，他们对此蛋白传感器做特殊激活，将其转变成特殊蛋白传感器——Gal3pMC，使得酵母能达到分解木糖和阿拉伯糖的功效。

这种调整过的工业酵母，最终可以在三种糖类上进行生长和分解，且速率与在天然糖葡萄糖和半乳糖上生长的酵母相当。

另外，这项实验不需要动用到功能基因组学和反向遗传学等昂贵的实验手术去删除酵母一些不利分解木糖的基因。

这项实验成果显示，他们能将含有Gal3pMC特殊蛋白传感器的酵母，用于工程分解代谢，与天然的代谢进行相互作用，将那些“废弃生物质”有效分解。

塔夫茨工程学院化学与生物工程副教授尼基尔‧奈尔（Nikhil Nair）对该院的新闻室表示，“如果我们能让酵母去分解这些‘废弃生物质’，就能减少燃烧造成的二氧化碳，并且用这些酵母做出来的生物燃料，供给耕作农作物的器械使用。”

该团队的研究生肖恩‧沙利文（Sean Sullivan）说，“让酵母在木糖上生长是一个重要的进步，但让新设计的酵母在固定生物糖上生长，并非是最好的方法。因此，我们希望设计一种酵母，让它可以吃多种类的生物糖。”

另外一位研究生维卡斯‧特里维迪（Vikas Trivedi）博士则表示，“我们通过最小的工程方法，修改了酵母对糖类的消化。因为酵母具有在非天然糖上生长的机制，只需要我们调整它的蛋白质传感器和识别糖类的机制即可。”

奈尔副教授还表示，“科学界在不断创造新的酵母，让它能够生产更多新产品。我们用新的酵母让它们分解这些农业废弃物，使那些过往无法利用的东西，变成燃料、药品、塑料或其它有用的东西。”