當地時間 8 月 27 日，在最新一期的《科學》期刊中，來自美國能源部橡樹嶺國家實驗室（ORNL ）、西北太平洋國家實驗室、科羅拉多州立大學和俄亥俄州立大學的研究人員共同發表了一項重磅研究成果一種利用微生物生產乙烯的全新方法。另外，該研究還發現了一種前所未知的細菌制造甲烷這種溫室氣體的方式。

眾所周知，乙烯在化學工業中被廣泛用于制造幾乎所有的塑料，是制造業中使用量最大的有機化合物。不僅如此，乙烯還是一種極為重要的基礎化工原料，乙烯及其下游衍生物是生產塑料、粘合劑、冷卻劑、橡膠和一些日常產品的主要原料。目前，生產乙烯的原料主要有石腦油、乙烷、液化石油氣和煤（甲醇）四大類。

研究人員表示，這一發現有望代替當前利用化石燃料生產乙烯的高耗能方法，從而為乙烯的制造提供一條潛在生物生產途徑。

該研究的主要作者、俄亥俄州立大學微生物學研究科學家 Justin North 表示，“ 利用細菌來生產乙烯和甲烷的過程，可能在制造業中具有非常大的價值，我們已經突破了生產大量乙烯氣體的主要技術障礙，代替以往利用化石燃料源來生產乙烯進而制造塑料的傳統方式。”

North 補充道 “雖然培育這些菌株來生產大量的、可用于工業生產的乙烯氣體，還有很多工作要做，但這扇大門已經打開。”

偶然實驗促成重大發現

這項研究始于俄亥俄州立大學，當時 Robert Tabita 正領導著一項關于光合細菌的碳固定和氮、硫代謝的研究。作為 Tabita 團隊的一員，North 決定在缺乏硫的情況下，測量紅螺螺旋藻細菌和同一家族中的其他微生物消耗和排放的氣體。

就在這個過程中，他驚訝地發現了乙烯。

North 說“ 我們知道這些細菌正在產生氫氣并消耗二氧化碳，但是它們在制造大量的乙烯氣體，是很奇怪的。于是我們試圖去了解細菌是如何做到這一點的，因為還沒有已知的化學反應還能夠解釋這一現象。”

North 和他在俄亥俄州立大學的同事們研究了這種新的代謝過程，他們使用放射性化合物來追蹤微生物的前體以及甲硫氨酸和乙烯的產生。但是，他們還需要一種不同類型的分析生物技術，來在該途徑和酶之間建立關鍵的聯系。

于是，Tabita 找到了領導著美國橡樹嶺國家實驗室生物質譜小組的 Bob Hettich，他們分別在低硫產生乙烯和高硫不產生乙烯的兩種不同條件下，對這些光合細菌中存在的蛋白質組進行了比較分析。

美國橡樹嶺國家實驗室生物質譜小組的 Bob Hettich使用一種特殊的質譜技術來分析微生物蛋白質組（來源美國能源部Carlos Jones／ORNL）

Hettich 研究小組此前已經開發出了一種前沿的方法，利用質譜對微生物系統的蛋白質組進行表征，這種技術可以準確測量不同分子的質量和斷裂途徑，并提供有關結構和組成的詳細信息。Hettich 和 ORNL 博士后研究員 Weili Xiong 從低硫和高硫系統中鑒定出了數千種蛋白質，并分析了它們的相對豐度，從而確定了少數蛋白質，以便進一步表征。

Hettich 說“ 我們發現了一個驚人的差異 ”。數據顯示，一個類似固氮酶的蛋白質在低硫產生乙烯樣品中的含量高出近 50 倍。當硫含量較低時，一些與鐵和硫相關的蛋白質也大量增加了，這表明硫代謝可能存在一條新的途徑。

但是，在基因注釋中，類似固氮酶的蛋白質與具有類似 DNA 序列的固氮酶歸為一組，并且已知它們能將大氣中的氮氣轉化為氨氣。

微生物中類似固氮酶的特殊蛋白質，與揮發性有機硫化合物利用有關（來源Science）

Hettich 表示，有時基因或基因家族的命名或注釋可能會產生誤導，名字暗示了主要功能。實際上，該基因可能具有次要功能，可以說是在打夜工，或者它實際上可能在做完全不同的事情。

“但是數據就是數據。如果你以正確地的方式運行測量，即使你不知道先驗答案，那么數據也將顯示出其中真正的聯系。”Hettich 說。

有了這些關鍵的蛋白質組數據，俄亥俄州立大學的研究人員和科羅拉多州立大學及太平洋西北國家實驗室的同事們進行了一系列操縱細菌基因組的實驗，以包含或移除基因簇 Rru＿A0793－Rru＿A0796。

這些基因的刪除和替換就像開關一樣關閉和開啟了細菌中乙烯的生產過程，即固氮酶裂解碳硫鍵，將 2－甲硫基乙醇還原成制造甲硫氨酸的前體，在該途徑中從而產生副產物乙烯。該研究也證實了該基因及其編碼的酶對該乙烯代謝途徑的重要性。

Tabita 將這項研究描述為是一次快樂的意外結果，他說“ 這項研究涉及兩所大學和兩個國家實驗室的合作研究和專業知識，最初，我們的研究目標是一個與這項發現完全不相關的研究問題，因此可以說這是一個‘偶然的發現往往會帶來重要的進展’的完美例子。”