科学家利用进化技术开辟可持续能源和药物的新途径

以进化为指导原则，研究人员成功地设计出细菌-酵母杂交种，使其能够进行光合碳同化，产生细胞能量并支持酵母生长，而无需葡萄糖或甘油等传统碳原料。通过设计光合蓝藻，使其与酵母细胞共生，细菌-酵母杂交种可以生产重要的碳氢化合物，为非石油能源、其他合成生物学应用和进化实验研究铺平了新的生物技术道路。

“所有具有细胞核的细胞都包含各种细胞器，例如线粒体和叶绿体，它们具有特定功能并含有自己的DNA，”领导整个伊利诺伊研究团队的伊利诺伊大学香槟分校化学教授安加德·梅塔(AngadMehta)说道。“研究人员长期以来一直认为，复杂的生命形式起源于这些类型的细胞之一与另一种细胞在内共生过程中融合。”

在之前的研究中，梅塔团队发现实验室生成的蓝藻-酵母嵌合体或内共生体可以为酵母提供光合作用产生的ATP，但不提供糖。在这项新研究中，该团队对蓝藻进行改造，使其分解糖并分泌葡萄糖，然后将其与酵母细胞结合，创造出可以在CO2存在下生长的嵌合体，利用细菌产生的糖和能量。

有了将非光合生物改造成光合嵌合生命形式的能力，研究小组集中研究如何利用这些嵌合体生物工程改造新的代谢途径，使其能够在光合作用条件下生产出有价值的产品，比如柠檬烯(一种在柑橘类水果中发现的简单碳氢化合物)。

“柠檬烯是一种相对简单但很重要的分子，市场前景广阔，”梅塔说，他也是卡尔·沃斯基因组生物学研究所的成员。“这项概念验证研究表明，我们可以在杂交品种中设计途径，通过光合作用生产柠檬烯，柠檬烯属于一类称为萜类化合物的分子，也是燃料、抗癌药和抗疟药等许多高价值化合物的前体。”

梅塔表示，他们进行这项研究的目标是确定他们的方法是否可以生产更复杂的化合物，如燃料和药物，如果可以，则努力扩大该工艺的规模以实现市场化。

“我认为，如果我们能够确保高价值化合物中的每一点碳都来自二氧化碳，那将是一件不可思议的事情，”梅塔说。“这可能是未来回收二氧化碳废物的一种方法。”

研究团队还表示，在他们探索了解和完善内共生系统以推动生物技术发展的过程中，他们还将解答许多基本的进化问题。

“无论我们是否愿意，这都会发生，”梅塔说。“我们一直在关注我们的工作如何解答生命进化背后的一些谜团。在我看来，设计内共生系统的最佳方式是在实验室中重现进化过程。找到一些生物学最大问题的答案将是自然而然的。”