化學工業主要依賴原油等化石資源來生產塑膠、染料和合成香料等一系列化學品。全球每年消耗5 億噸，即每天消耗100 多萬噸。由於這些化學轉換是能源密集的，因此化學工業真正的二氧化碳足跡甚至要大六倍到十倍，約佔全球總排放量的5%。她和她的團隊正在尋找減少化學工業對化石燃料依賴的方法。

化學工業嚴重依賴化石資源來生產塑膠、染料和人造香料，每天消耗超過一百萬噸的化石資源，約佔全球排放量的5%。朱莉婭-沃霍特（Julia Vorholt）教授領導的研究人員正在努力減少這種依賴，他們開發的合成細菌可以將”綠色甲醇”–利用可再生能源從二氧化碳和水中產生的甲醇–轉化為有用的化學品，從而最大限度地減少該行業的碳足跡。圖片來源：Sean Kilian

以甲醇為食的細菌（稱為嗜甲菌）是這些研究工作的核心。甲醇只含有一個碳原子，是最簡單的有機分子之一，可由溫室氣體二氧化碳和水合成。如果合成反應的能源來自再生資源，甲醇就被稱為”綠色”。

沃霍特研究小組的博士後研究員邁克爾-萊特（Michael Reiter）說：「存在天然的營養甲烷菌，但儘管研究人員付出了大量努力，在工業上利用它們仍然很困難。沃霍特的研究小組數年來一直在研究如何使這種在糖上生長的模式菌具有代謝甲醇的能力。

這是一項重大挑戰，因為它需要徹底重組細胞的新陳代謝。最初，研究人員使用電腦模型模擬了這種變化。根據這些模擬，他們選擇刪除兩個基因，並引入三個新基因。結果是，細菌可以吸收甲醇，儘管吸收量很小。

他們在實驗室的特殊條件下繼續培養這種細菌一年多，直到微生物能夠利用甲醇生產所有細胞成分。在大約1000 多代的過程中，這些人工合成的養甲菌變得越來越高效，最終在只用甲醇餵養的情況下，每四小時就能增加一倍。生長速度的提高使這種細菌具有了經濟價值。

正如沃霍特團隊在最近發表的論文中所描述的，甲醇利用效率的提高是由幾種隨機發生的突變造成的。這些突變大多導致各種基因喪失功能。這乍看之下令人吃驚，但仔細觀察就會發現，由於基因喪失了功能，細胞可以節省能量。例如，有些基因突變會導致重要生化反應的逆反應失敗。這取消了多餘的化學轉換，優化了細胞中的新陳代謝通量。

為了探索合成養甲蟲在生物技術生產工業相關大宗化學品方面的潛力，沃霍特和她的團隊為細菌配備了四種不同生物合成途徑的額外基因。他們在研究中發現，這些細菌確實在所有情況下都能產生所需的化合物。

對於研究人員來說，這清楚地證明了他們的工程細菌能夠實現最初的承諾：這種微生物是一種高度通用的生產平台，可以根據”即插即用”原則將生物合成模組插入其中，促使細菌將甲醇轉化為所需的生化物質。

不過，研究人員仍需大幅提高產量和生產率，才能使細菌的使用具有經濟可行性。沃霍特和她的團隊最近獲得了一筆創新基金，以進一步擴大應用計劃，並選擇首先關注的產品。

編譯來源：ScitechDaily