细菌如何在甲醇上生存

苏黎世联邦理工学院的研究人员已经确定了细菌使用甲醇作为食物来源所需的所有基因。该结果将有助于科学家在生物技术领域推进该资源的使用。

许多化学家目前正在研究如何利用甲烷和甲醇这样的小碳分子来产生更大的分子。地球天然富含甲烷，人工过程如生物气体中的生物质发酵也会产生大量的甲烷。甲烷可以由甲烷产生。两者都是仅含有单个碳原子的简单分子。然而，使用它们来生产具有几个碳原子的较大分子是复杂的。

虽然化学家面临挑战，但很久以前就已经学会用细菌来制造大分子：一些细菌使用甲醇作为碳源，以制造能量载体和细胞建筑材料。它们主要生长在植物叶子上，并且在每片叶子上大量生长。最广泛研究的细菌称为脱氧核糖核酸杆菌(Methylobacterium extorquens)。由微生物学教授Julia Vorholt领导的研究小组现已确定该细菌所需的所有基因均以甲醇为生。

细菌利用植物废物

“植物叶子是甲醇的天然来源，甲醇在植物细胞壁生物合成过程中作为废物产生，”Vorholt解释道。就像混合动力汽车可以用汽油或电力作为燃料一样，根据可用性，甲基杆菌可以使用较大的碳分子(如羧酸)或植物中的甲醇作为营养素。“当使用甲醇时，细菌会使用这种小分子构建它们所需的所有复杂化合物。这是一项非凡的成就，”Vorholt说。

正如科学家们现在能够证明的那样，甲基杆菌属的脱氧核糖核酸有近150个基因，它们需要特异性地在甲醇上生长。其中95人以前不知道。

为了找到这些基因，Vorholt的小组与实验系统生物学教授Beat Christen小组合作，创造了大约一百万个细菌突变体。将它们一方面置于含甲醇的培养基中，另一方面置于含有琥珀酸的正常营养培养基中。研究人员正在寻找在通常培养基中正常生长的突变体，但是当用仅含有甲醇的培养基喂养时，它们很差或根本没有。这使科学家们能够确定何时使用甲醇所需的特定基因已被破坏。

“这种方法使我们能够确定细菌中是否需要任何基因用于甲醇生长。这最终使我们能够识别所有必需的基因，”Vorholt小组的博士生Andrea Ochsner解释说，第一作者该研究发表在Current Biology期刊上。

信号切换到甲醇模式

研究人员对使用这种方法检测到的基因之一感到特别惊讶。该基因以前是从空气中代谢二氧化碳的植物和细菌中获知的，但是脱氧核糖核酸不能做到这一点。该基因提供了产生对CO2使用至关重要的糖的酶的说明。

研究人员现在可以证明，脱氧核糖核酸杆菌在遇到甲醇时也能产生这种糖。然而，与植物相比，细菌不使用这种糖作为细胞建筑材料。相反，科学家认为它被用作信号，以便转向甲醇消费。

在揭示这一特定基因的重要性之后，科学家们现在想进一步研究其他新发现的基因。

微生物的新能力

研究脱氧核糖核酸杆菌的遗传学对生物技术也很有价值。该细菌已经在研究实验室中用于生产复杂分子。新的结果可以帮助科学家操纵细菌，以便更大量地产生所需的分子。

由于现在已经确定了与基于甲醇的生长相关的所有基因，因此也可以将这些基因引入其他微生物中，从而允许它们使用甲醇 - 从而在将来为该资源实现各种生物技术应用。