科学家们已经花费了几十年的时间对大肠杆菌和其他微生物进行基因改造，以将二氧化碳转化为有用的生物产品。然而，大多数方法需要额外的碳源，从而增加了成本。一项新的研究通过结合单细胞藻类的光合作用能力和大肠杆菌的生产能力克服了这一限制。
研究人员在《代谢工程》杂志上报告了他们的研究成果。
这并不是首次将光合生物的特殊才能与其他微生物结合起来的研究。以前的研究使用蓝细菌吸收二氧化碳并将其转化为糖类，然后被细菌或酵母作为燃料和碳源利用，该研究的主要负责人、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校食品科学与营养学教授兼卡尔·R·伍斯基因组生物学研究所成员金永洙说。
新方法的不同之处在于所使用的微藻是一种突变形式的莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii），它能吸收二氧化碳并分泌有机酸——甘氨酸。大肠杆菌可以轻易地消耗甘氨酸，但许多其他生物不能，而糖类则具有普遍吸引力，可以喂养多种微生物。
“有时糖类更适合生产某些产品，有时有机酸更好，”金永洙说。“但如果使用甘氨酸而不是糖类，我们减少外部生物污染的机会。”
如果单独培养这种突变的莱茵衣藻，最终会产生过多的甘氨酸，从而毒害自己。但是当与大肠杆菌共培养时，大肠杆菌会消耗甘氨酸，使微藻保持存活并相对健康。
经过多次实验，设计了一种模块化共培养生物反应器。首先，在有利于微藻生长的条件下单独培养莱茵衣藻，提高其群体密度同时限制其甘氨酸的产生。在第二个腔室中，微藻和大肠杆菌共同生长，使微藻产生足够的甘氨酸来喂养细菌，提供足够的碳用于生产有用的化学物质。
“这是一种互利共生系统，”金永洙说。“大肠杆菌去除了甘氨酸，有益于莱茵衣藻。”
研究人员使用这种方法成功生成了两种有价值的化合物：番茄红素，一种强大的类胡萝卜素抗氧化剂，具有众多潜在的健康益处，以及广泛用于生化研究的绿色荧光蛋白。
这些化合物的成功生产证明了该系统的可行性，金永洙说。
“我们还可以想象，我们可以使用这种方法来制造其他有价值的蛋白质，如胰岛素，”他说。
这种方法最有可能用于生产昂贵且需求量较小的产品，而不适合大规模低成本产品的生产，如生物燃料，金永洙说。
“我们可以用这种方法生产1,000吨或10吨产品，但我认为我们无法用这个过程生产千兆吨的产品，”他说。创建和维护具有适当环境控制的生物反应器对于大规模生产生物燃料来说成本过高。
金永洙还看到了这项技术在太空旅行中的应用潜力，宇航员在飞行过程中需要为自己生产营养品或药物。
“只要有阳光和二氧化碳，我们就可以实施这个过程，”他说。
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