自 2015 年联合国可持续发展峰会召开以来，全球的环境问题、如何实现可持续发展等成为了绕不过去的话题。少数的富豪忙着 “上天”，而大多数地面上的问题还要解决。除了研究人员正在不断推动技术进步之外，解决问题也可能需要依靠微生物的帮助。
自 19 世纪初期，人们已经发现，部分微生物能够利用自身的新陈代谢来消耗某些特殊的化学物质。但它们通常效率低下，因此代谢工程被用来提高微生物的性能。从 1990 年代开始，利用代谢工程对微生物细胞进行改造，以实现特殊用途成为了生物界的热门课题。
近年来，通过与合成生物学相结合，代谢工程变得更加强大。基于合成生物学设计和构建新型生物功能和系统的优势，与代谢工程相结合从而开发具有各类功能的工程化微生物成为了解决地球困境的有效帮手。在应用端，科学家们已经不满足于简单的生物分子合成，合成生物学技术逐渐进入到能源、环境、重工业等领域。各类经过基因编辑、改造代谢的微生物们正在试图解决原材料采集和加工、废物处理以及衍生的环境污染等问题。
今天，小编就来和大家聊聊工程细菌，小小微生物藏着哪些大本事？一起来盘点一下。
1.工程细菌将捕获的二氧化碳转化为用于燃料和化妆品的有价值化学品
细菌因分解乳糖制造酸奶和分解糖制造啤酒而闻名。现在，由美国西北大学和LanzaTech公司领导的研究人员已经利用细菌来分解废弃的二氧化碳来制造有价值的工业化学品。在一项新的试验研究中，研究人员选择、设计和优化了一种细菌菌株，然后成功地证明了它将二氧化碳转化为丙酮和异丙醇（IPA）的能力。
这种新的气体发酵工艺不仅能从大气中清除温室气体，而且还能避免使用化石燃料，而生成丙酮和IPA通常需要使用化石燃料。在进行生命周期分析后，该团队发现，如果广泛采用，与传统工艺相比，这种负碳平台可以减少160%的温室气体排放。这项研究将于2022年2月21日发表在《自然-生物技术》杂志上。
该研究的共同第一作者、西北大学的Michael Jewett说：“不断加速的气候危机，加上快速的人口增长，给人类带来了一些最紧迫的挑战，所有这些都与整个生物圈有增无减的二氧化碳释放和累积有关。通过利用我们与生物学合作的能力，在可持续和可再生的基础上，在需要的地方和时间制造需要的东西，我们可以开始利用现有的二氧化碳来改变生物经济。”
Jewett是西北大学麦考密克工程学院化学和生物工程的Walter P. Murphy教授，以及合成生物学中心的主任。他与Michael Koepke和Ching Leang共同领导了这项研究，他们都是LanzaTech的研究人员。
2.用细菌打造建筑材料：重量更轻、效果更好
近日，在国家生物膜创新中心（NBIC）的资助下，英国巴斯大学生物与生物化学系的微生物学家以及建筑与土木工程系的混凝土专家合作开展了一个为其6月的新项目。该项目旨在利用基于细菌的建筑技术（BBCT）优化原型石膏板的性能，一旦成功，这种材料将得到大规模应用以及进一步发展。
Susanne Gebhard博士是巴斯大学生物与生物化学系和米尔纳进化中心的高级讲师，她与该大学建筑与土木工程系的Kevin Paine教授合作领导了这个项目。“当细菌聚集并覆盖在物体表面时，就会形成生物膜。在这个令人兴奋的新项目里，我们将验证能否将细菌的这一自然特性作为一种胶水，用于帮助改善可生物降解建筑材料的性能。”Gebhard博士说。
Adaptavate公司的技术总监Jeff Ive说：“石膏是使用量第三大的建筑材料，其碳排放量占到了英国总碳排放量的3%。它有两种来源，一是开采，二是由燃煤电厂的废物产生。这种价格日益上涨的材料以硫酸钙为基础，因此还需要小心地处理，避免危害环境。”
在Adaptavate公司工作人员的共同参与下，研究者最终开发出了一种可生物降解的石膏板，并将其命名为Breathaboard。与传统石膏板相比，Breathaboard使用了可堆肥的作物废料代替生石膏，因此重量更轻，同时具有更好的隔热和隔音性能。
“我们的Breathaboard是石膏基石膏板的低碳可持续替代品，将会真正改变建筑行业的碳排放现状。”Jeff Ive说。
3.工程细菌可“变废为宝”用工业废气生产化工原料
施普林格·自然旗下专业学术期刊《自然-生物技术》最新发表一篇生物科技研究论文称，工程细菌可将工业污染中的气体排放(包括温室气体二氧化碳)转化为两种有用的化合物(丙酮和异丙醇)。该方法可替代现有利用石油或天然气生产的流程，提供了一种负碳排手段。
该论文介绍，通过微生物发酵从非化石燃料来源生产各种化学品是一种很有前景的制造方法，它在食品产业被用于制造酸奶、啤酒和其他各种产品。该领域大多数工作依赖于发酵糖的微生物；可是用糖作为原材料的成本高昂，而且生产过程提高了总体温室气体排放。但某些微生物能够发酵气体——将二氧化碳之类的气体转化为更复杂的分子。这带来了一个机会，能把工业排放或生物和城市废弃物产生的废气转化为更有用的产品。
论文通讯作者、美国朗泽科技公司迈克尔·科普克(Michael Köpke)和美国西北大学迈克尔·杰维特(Michael Jewett)及他们的同事通过将工业细菌的一种梭菌(Clostridium autoethanogenum)进行遗传工程改造，用于合成此前它们无法产生的化合物。他们以一个工业规模的先导性试验表明，工程细菌能以高效率和高选择性生产丙酮和异丙醇——这两种化合物的全球市场超过100亿美元。现有的利用石油和天然气制造这些化合物的过程会促进气候变化，而科普克等人的系统固碳多于排放，因此拥有负碳足迹。
4.用基因工程细菌来生产超强的蜘蛛丝
科学家已经想出了该如何利用基因工程细菌来生产超强的蜘蛛丝。据说，蜘蛛丝比钢更强韧，但是天然蜘蛛的产丝效率非常低，因此开发出大规模的生产方法能给我们带来工业所需的超强织物，甚至可以当做下一代太空服的材料。
为了收获蛛丝，如果像是养蚕一样把大量的蜘蛛放到一起，它们往往会自相残杀。随后，我们尝试把制造的蛛丝基因提取出编辑到细菌中——这是一种现在常见的生物工程手段——结果也不尽如人意。
“在自然界中，有很多基于蛋白质的材料具有惊人的机械性能，但这些材料的供应往往是受限的。”圣路易斯华盛顿大学的首席研究员Fuzhong Zhang在新闻发布会上说，“我的实验室对工程微生物感兴趣，因此我们不仅可以生产这些材料，还可以提升产品品质。”
为了突破以往的局限性，科学家们将负责蜘蛛产丝的基因切割成较小的片段，一旦它们被整合到细菌基因组中就会重新组装。研究内容将发布在下周二美国化学学会2019年春季国家会议上。凭借他们的新技术，科学家成功制造了两克蜘蛛丝——像真正来自蜘蛛的丝一样强韧——用了差不多一升的基因编辑细菌。
比起令人不安的细菌来说，这并不是十分了不起的产量，但新闻报道称，与其他尝试大规模生产蜘蛛丝的技术相比，它已经是巨大的进步。如果能够进一步扩大产出，NASA可能会利用基因编辑细菌来制定未来的太空任务，为宇航员提供新的维修材料。
