互动科普

送进发酵罐

除了在实验室中风光无限，大肠杆菌还被送进了制药厂和化工厂。通过有目的地拼装基因，它们就能生产出我们想要的生物产品。

不过，人类目前的技术水平远远没有达到随意设计基因的程度。陶勇研究员认为，我们还是在对自然存在的基因生产线进行模仿和复制。比如，我们要想合成胡萝卜素，那首先自然界要有这个反应，我们再去分析这个反应所需要的原料、最终的产品，以及原料到产品之间的生产步骤。这个步骤可能是一步，不过也可能是很多步。并且，这些步骤可能来源于不同的生物，就好像说生产胡萝卜素的基因可能有一些来源于胡萝卜，有一些来源于辣椒。相当于我们去找自然界最优秀最高效的“基因员工”，然后再把它们组合起来，生产我们想要的东西。

在如今的合成生物学中，有功能的蛋白质已经被“元件化”了，我们需要做的就是把它们很好地组装起来。不过流水线是需要厂房的，而大肠杆菌就是这样合适的厂房。能够快速繁殖和对营养物质要求不高等特性，让大肠杆菌成为生物工程的宠儿。

作为生产实用产品生物反应器，必须考虑到成本问题。对于那些附加值高的药品来说，我们可以不考虑生产效率的高低，即使在大肠杆菌的生产过程有些许磕磕绊绊，也是可以接受的。但是要生产像乙醇、丙二醇这样的低附加值产品，那就需要进行精细调整了，保证每个基因都是最优化的，每个步骤的效率都达到最高。

图1. 大肠杆菌的结构

大肠杆菌好吃吗？

曾经有传闻说，大肠杆菌会作为蛋白质的重要来源，这不过是人们的主观猜测罢了。要想让大肠杆菌提供常规的食品并不容易。“首先，大肠杆菌的蛋白质有特殊的臭味，恐怕很少有人愿意捏着鼻子将它们吞下去。如果是去除引发臭味的物质，那提纯的代价又过于高昂，还不如从动植物中获得蛋白质。另外，大肠杆菌的脂肪含量不高，也不适宜作为此类营养的来源，”陶勇研究员介绍说，“不过，大肠杆菌作为牲畜饲料添加剂倒是存在可能性，但是每升培养液中最高只能生产出100克大肠杆菌，如此低的密度，当饲料也不划算。”如此看来，在短时间内大肠杆菌很难变成我们餐盘中的主角，不过，这并不意味着它们不会参与到我们的餐桌上来。

利用转基因技术，我们可以用大肠杆菌生产出各种功能性的小分子物质，比如维生素、木糖醇（甜味剂），以及肌醇、氨基酸等增味物质。目前，大肠杆菌已经成为生产增味剂的明日之星，大有取代生产谷氨酸的谷氨酸棒杆菌的势头。

大规模开发遇到瓶颈

大肠杆菌的工业化生产道路并非平整的高速公路，而是有很多坑坑洼洼的地方需要修补。在陶勇研究员看来，培养基、处理过程中使用的抗菌素和高密度发酵是亟待解决的3个问题。

要想进行大规模工业化生产，就必须解决培养基的问题。特别是要生产乙醇、丁醇这样低附加值的生物燃料，就需要有更为廉价的培养基，这样才能获得足够的利润推动生产。即使是一般培养基的配置也很有学问，比如碳源（葡萄糖）不足会限制生长，碳源过于充足，大肠杆菌就会代谢产生过多的乙酸，抑制生长，如何调配合适的培养基仍然有很多值得优化的地方。最近，还有研究人员在尝试用基因工程手段，将纤维素酶搬进大肠杆菌，让它们使用更廉价的秸秆中的纤维素进行生产。

使用抗菌素处理培养液是大肠杆菌工业化生产面临的另一个问题。一般情况下，大肠杆菌的发酵容器中都会混进杂菌，从而影响产品的纯度和品质。为了抑制杂菌的生长，需要添加一些抗菌素。这样带来的问题就是，在收集成品阶段需要花费很多人力物力来去除抗菌物质，保证成品的纯度，特别是药品和食品用原料的纯度。解决的办法就是给大肠杆菌加上新的耐高温基因，在加热最初的培养液时，有高温标签的大肠杆菌可以安然存活，而其他杂菌就被统统消灭了，这就能轻松达到绿色生产的目的了。

即使解决了上述问题，要是不能让大肠杆菌在有限空间内尽享高密度繁殖，一切都无从谈起。如果只能在稀薄的菌液中生存，那恐怕要将海洋都变成种植大肠杆菌的耕地才能收获有效物质了，这显然是不可行的。其实，在发酵罐里培养大肠杆菌，同在农田里种庄稼并无差别，如果庄稼种得太密，它们就只会长秸秆而不会结出谷粒了。大肠杆菌也是如此，要让所需产物的产量达到最大，就必须调整好菌体的密度，否则就只能生产出一大堆不能吃的臭烘烘的大肠杆菌蛋白了。

图2. 无论是在生物实验室，还是在生物技术工厂，对大肠杆菌培养基的改进都是提高生产效率的一个大问题。

前景光明

大肠杆菌在生物技术市场上风头正劲：美国杜邦公司利用大肠杆菌生产1,3-丙二醇（精细化工中所需要的重要化学原料）技术已经成熟，年产量达到了9万吨；美国橡胶巨头固特异轮胎橡胶公司利用大肠杆菌生产异戊二烯的实验已经进入最终实验阶段。

正如上文所说的，大肠杆菌的基因组只有460万个碱基对，能很方便地在此基础上进行遗传操作。“大肠杆菌繁殖和对转入基因的表达的速度都非常快，一般来说，进行遗传操作的酵母菌至少要在7天后才能看到结果，而大肠杆菌只需要2〜3天，这就决定了它在生物技术产业中具有不可替代性，”陶勇研究员对大肠杆菌的这项特性尤其偏爱，“可以说，当初进行遗传转化时选中了大肠杆菌，就像摸彩票中了大奖。也许在不久的将来，我们的吃穿用中都会有大肠杆菌的影子。”

（本文发表于《科学世界》2011年第8期）