摘译于
http://science.sciencemag.org/content/353/6299/583.short
摘要：08月04日，Science杂志发表美国麻省理工学院Gregory Stephanopoulos 团队的最新研究成果。研究者们对代表性的工程菌（大肠杆菌和酵母）进行代谢改造，让其能够利用稀有化合物作为营养物质，增强竞争优势，使发酵过程可在避免使用抗生素的同时免除杂菌污染，并有效降低了发酵成本。
在工业领域，应用微生物细胞发酵可将可再生碳源转化为系列不同的化学品，相比而言，传统的化学生产主要依赖石化来源碳源的能耗转化。然而创纪录的低油价不断增加生物工业与传统生产的竞争难度，尤其对低成本的产品，如生物燃料和一些日用化学品来说，具有更大的竞争压力。除此而外，在发酵工业中通常采用灭菌与一定剂量的抗生素来避免杂菌污染，再次增加了大量的成本，同时还鼓励了抗生素耐药性的发展。在发酵工业面临着种种现实难题的状况下，近日，Science杂志发表美国麻省理工学院Gregory Stephanopoulos团队的最新研究成果。研究者们对代表性的工程菌（大肠杆菌和酵母）进行代谢改造，让其能够利用稀有化合物作为营养物质，增强竞争优势，使发酵过程可在避免使用抗生素的同时免除杂菌污染，并有效降低了发酵成本。这似乎为工程菌开发了新型的保健品新思路，是否能有效避免发酵中的杂菌污染问题，深入到实际工业发酵中呢？让我们纵观一下发酵工业现况与Gregory团队的研究成果吧。
u 工业菌株的天然优势
自有人类文明的曙光，发酵便一直用来保藏食物，也许这只是保存食物被环境中微生物污染后的一个偶然发现。这些微生物包括：啤酒酵母（酿酒酵母）、乳酸菌等，通过天然合成乙醇和乳酸来抑制其他微生物的生长，体现出自身的竞争优势，目前这些微生物都被应用于工业发酵中，用于生产食品或者相应化学品。
u 工业发酵的杂菌污染与现有解决方案
在现代燃料乙醇工业中，以巴西乙醇发酵工厂为例，发酵罐中加入未灭菌的原料，并接种在后续批次中回收的酵母。乙醇的分泌使得酿酒酵母具有很强的竞争优势，但乙醇发酵工业也不断经受大大小小不同程度的污染所困扰，这些杂菌的污染减少了乙醇的得率，虽然应用二氧化氯和生物消毒添加剂已经广受欢迎，但很多生产部门仍然在使用抗生素来控制污染，将进一步加速抗生素抗性菌株的进化，从而进一步加剧污染循环。
除了乙醇生产外，其他化学品的生产过程污染似乎更加严峻。为了减小从藻类和蓝藻身缠燃料和大宗化学品的资本成本，需要在开放的大型水库进行培养，然而这些生物明显缺少在这样的环境中的竞争优势。大宗和特色化学品的生产通常使用高代谢改造的生物，这些工程生物与野生型相比通常都是生理缺陷型，因此维持发酵环境的纯培养显得更为重要，在这些发酵中使用的培养基和发酵管道都必须经过部分或者完全灭菌，增大了操作成本，抗生素的使用除再次增大了成本外，在食品和药品产品中也是不能接受的。
u 异生素解决杂菌污染新思路
在Gregory团队的研究成果中展示了发酵过程抗污染的新技术，他们对生产工程菌株进行代谢改造，引入一条可消化异生素的代谢途径，从而赋予其竞争优势（图1）。所谓异生素，就是指不能被该生物天然产生或者降解的营养物质。由于杂菌不具有异生素的代谢途径，因而不能正常生长，丧失竞争能力。
图1 强健工业菌株的策略
研究者们称该方案为“强健策略”，具体实施实例有大肠杆菌的氮源异生素、酿酒酵母和解脂耶氏酵母的氮源、磷源异生素代谢改造。研究者们在大肠杆菌中引入三聚氰胺代谢途径，使其能够利用异生素三聚氰胺作为氮源，经过实验室的适应性进化后，进一步提高了菌株对三聚氰胺的利用效率，当提供三聚氰胺作为氮源的时候，改造菌株与对照菌株相比具有明显的生长优势(图2A)。
图2 葡萄糖培养基中的竞争优势
如图2B、2C所示分别为酿酒酵母在异生素氮源氨腈中、解脂耶氏酵母在异生素磷源中的竞争优势。研究者们对酿酒酵母与解脂耶氏酵母进行了代谢改造，使其能够分别吸收氨腈和亚磷酸盐作为氮源与磷源，在发酵中表现出明显的优势。除了葡萄糖培养基外，研究者们还在工业原料甘蔗水解液与麦秸水解液中进行了测试，代谢改造的酿酒酵母仍然表现出明显的竞争优势。
最后便是对这个新思路的广大评议啦，工程菌的这项新的”健身计划”是否可广泛应用于工业生产呢？或许还需要更多的实验证据和实践才能给出最可靠的评估。但至少这项工程菌健身计划是一个明显的指路牌，告诉我们还有更多的思路远离发酵污染，通过蛋白质工程的不断挖掘，可以寻找到更多代谢不同异生素的途径，创造更多的可能性，期待更新的科学成果……
