我们常常指望最小的生命形式帮助解决最大的问题:微生物帮助制造食品和饮料，治疗疾病，处理废物，甚至清理污染。酵母和细菌还可以将植物糖转化为生物燃料和传统上来自化石燃料的化学物质——这是大多数减缓气候变化计划的关键组成部分。
现在，威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员已经设计出一种细菌，它可以从未充分利用的植物纤维中同时产生两种化学产品。与人类不同的是，这些多任务微生物在两件事上都做得很好。
“据我所知，这是第一次你可以在一种微生物中同时制造两种有价值的产品，”威斯康星大学麦迪逊分校细菌学教授、五大湖生物能源研究中心主任蒂姆·多诺霍说。
《应用与环境微生物学》杂志上的一篇论文详细介绍了这一发现，它可能有助于使生物燃料更具可持续性和商业可行性。
“原则上，该战略降低了温室气体净排放量，提高了经济性，”多诺霍说。“在一个锅中制作两种产品所需的能源和温室气体量将少于在两个锅中分别制作一种产品所需的能源和温室气体量。”
用可持续替代品取代化石燃料的探索取决于从可再生生物质中提取最大可能的价值。就像石化产品一样，每个分子都很重要:小批量、高价值的产品有助于降低燃料的价格。
最大的屏障之一是植物细胞壁的一部分，叫做木质素。木质素是世界上最丰富的可再生芳香碳源，但其不规则的结构使其难以分解成有用的成分。
这就是为什么GLBRC的科学家们研究了一种名为Novosphingobium aromaticivorans(有时简称Novo)的细菌，它可以消化木质素的许多成分，并且相对容易进行基因改造。
2019年，研究人员设计了一种Novo菌株，可以生产尼龙和聚氨酯等塑料的关键成分，即PDC。最近，多诺霍实验室的一个团队发现了另一种修改，使诺和公司能够制造一种名为ccMA的不同塑料成分。
但他们并没有就此止步。
“我们不可能通过只生产两种产品来解决碳排放问题，”本·霍尔(Ben Hall)说，他是一名新近毕业的博士，参与了这项研究。
多诺霍的团队利用基因组模型，列出了一份由生物质芳香烃制成的潜在产品清单。排名靠前的是玉米黄质，它是一组被称为类胡萝卜素的有机色素中的一种。
类胡萝卜素赋予胡萝卜、南瓜、鲑鱼甚至火烈鸟独特的颜色，被用作营养补充剂、药品和化妆品，每年的累计市场价值高达数百亿美元。
研究人员知道，Novo拥有生产另一种市场价值不大的类胡萝卜素的基因。根据细菌的基因组序列，他们怀疑玉米黄质是细胞制造复杂分子过程中价值较低的类胡萝卜素的垫脚石。这只是一个改变正确基因的问题，以阻止消化流水线上更有价值的产品。
通过删除或添加选定的基因，他们设计了能够产生玉米黄质以及其他有价值的类胡萝卜素——β -胡萝卜素、番茄红素和虾青素——的菌株，当它们生长在木质素中常见的芳香化合物上时。
接下来，研究小组表明，这种工程细菌可以从一种由碾碎和处理过的高粱茎制成的液体中产生同样的类胡萝卜素，这种液体含有许多工业细菌无法消化的芳香混合物。
然后，霍尔想知道，如果他把在同一种微生物中产生PDC和类胡萝卜素所需的基因变化结合起来，会发生什么。
所得到的菌株产生PDC和目标类胡萝卜素-没有明显的产量损失。更妙的是，细菌在细胞内积累了类胡萝卜素，这些类胡萝卜素必须与它们分泌的含有PDC的溶液分离。
“我们已经把细胞从培养基中分离出来了，”霍尔说。“现在，我们将同时推出一款产品。”
接下来的步骤包括测试工程菌株是否可以同时生产类胡萝卜素和ccMA, Donohue认为它们可以，以及设计菌株以提高工业条件下的产量。
虽然这些产品都有有利可图的市场，但多诺霍和霍尔说，这项发现的真正价值在于能够为这个生物平台增加多种功能。
“对我来说，这既是战略，也是产品，”多诺霍说。“既然我们已经做到了这一点，我认为它打开了一扇门，看看我们是否可以创造出其他可以制造两种产品的微生物底盘。”
