聯邦理工學院的研究人員用紫外線改造了某些細菌，使其產生更多的纖維素。其基礎是一種新方法，研究人員利用這種方法產生了數千種細菌變體，並篩選了那些已發展成為最有生產力的變體。

濕態細菌纖維素。蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）採用突破性方法，利用變異的Komagataeibacter sucrofermentans將纖維素的產量提高了70%，而纖維素是各行各業的關鍵材料。這種高效、可持續的方法具有更廣泛的應用潛力，目前正在進行工業測試。圖片來源：Peter Rüegg / 蘇黎世聯邦理工學院

細菌能產生人類感興趣的物質，如纖維素、絲綢和礦物質。以這種方式生產細菌的優點是可持續，在室溫和水中進行。缺點是這個過程需要時間，而且產生的數量太少，無法用於工業。

因此，一段時間以來，研究人員一直在嘗試將微生物變成活的微型工廠，以便更快地生產出更多所需的產品。這需要對基因組進行有針對性的干預，或培養最合適的細菌菌株。

蘇黎世聯邦理工學院（ETH）複雜材料學教授安德烈-斯圖塔特（André Studart）領導的研究小組利用蔗糖纖維素生產細菌（ Komagataeibacter sucrofermentans）提出了一種新方法。根據自然選擇進化的原理，科學家可以用這種新方法快速生產數以萬計的細菌變種，並篩選出生產最纖維素的菌株。

利用這種微格式分類系統，可以將單一細胞裝入微小的氣泡中。圖片來源：Julie Laurent / 蘇黎世聯邦理工學院

蔗糖酵母菌能天然產生高純度纖維素，在生物醫學應用、包裝材料和紡織品生產中需求量大。這種纖維素有兩個特性，一是支持傷口癒合，二是防止感染。 「然而，細菌生長緩慢，產生的纖維素數量有限。因此，我們必須找到一種提高產量的方法，”Studart 小組的博士生、剛剛發表在科學雜誌《美國國家科學院院刊》（PNAS）上的一項研究的第一作者朱莉-勞倫特（Julie Laurent）解釋。

她開發的方法成功地生產出了少量的Komagataeibacter變體，這些變體產生的纖維素比其原始形態多達70%。

用紫外線加速進化

材料研究人員首先必須創造出自然界中原始細菌的新變種–即野生型。為此，朱莉-洛朗用紫外線-C 光照射細菌細胞，破壞細菌DNA 的隨機點。然後，她把細菌放在一個黑暗的房間裡，以防止任何DNA 損傷的修復，從而誘發突變。

然後，她使用微型儀器，將每個細菌細胞封裝在一小滴營養液中，讓細胞在特定時間內產生纖維素。培養期結束後，她使用螢光顯微鏡分析哪些細胞產生了大量纖維素，哪些細胞沒有或很少產生纖維素。

透過ETH 化學家安德魯-德梅洛（Andrew De Mello）小組開發的分類系統，斯圖塔特團隊自動分揀出了那些進化後能產生大量纖維素的細胞。這種分類系統是全自動的，而且速度非常快。幾分鐘內，它就能用雷射掃描50 萬個液滴，並分類出含有最多纖維素的液滴。結果發現，只有四個液滴的纖維素含量比野生型高出50% 到70%。

野生型產生的凍乾纖維素墊。圖片來源：Peter Rüegg / ETH Zurich

進化後的蔗糖酵母菌細胞可以在空氣和水交界處的玻璃瓶中的墊子上生長並產生纖維素。這種纖維素墊的自然重量在兩到三毫克之間，厚度約為1.5 毫米。新進化變種的纖維素墊的重量和厚度幾乎是野生型的兩倍。

其中一種高產變體生產的凍乾墊則厚得多。圖片來源：Peter Rüegg / ETH Zurich

朱莉-洛朗和她的同事們也對這四個變體進行了基因分析，以找出哪些基因被紫外線-C 光改變了，以及這些改變是如何導致纖維素過度生產的。這四種變異體的基因都發生了相同的突變。該基因是一種蛋白質降解酶–蛋白酶的藍圖。然而，令材料研究人員驚訝的是，直接控制纖維素生產的基因並沒有改變。 “我們懷疑這種蛋白酶能降解調節纖維素生產的蛋白質。”研究人員解釋說：”如果沒有這種調節，細胞就無法停止這一過程。”

這種新方法用途廣泛，可用於生產其他物質的細菌。這種方法最初是為了創造生產某些蛋白質或酵素的細菌而開發的。 “我們是第一個使用這種方法改進非蛋白質材料生產的人，”ETH 教授安德烈-斯圖塔特（André Studart）說。 “對我來說，這項工作是一個里程碑”。

研究人員已經為這種方法和變異的細菌變種申請了專利。下一步，他們希望與生產細菌纖維素的公司合作，在實際工業條件下測試這種新型微生物。

編譯自/ ScitechDaily