西北大学领导的一个团队进行的研究表明，一种常见的环境细菌，睾丸毛单胞菌，有朝一日可能被用作大自然的塑料回收中心。大多数细菌更喜欢吃糖，但睾酮梭菌对植物和塑料中的复杂废物有着天然的胃口。这项新研究首次破译了睾酮梭菌能够消化这些看似无法消化的代谢机制。这些发现可能会导致利用细菌帮助回收塑料废物的新型生物技术平台。

西北大学麦考密克工程学院土木与环境工程副教授、研究负责人LudmillaAristilde博士向GEN解释说，“在这项研究中，我们揭示了一种具有塑料废物降解代谢能力的细菌物种的多层次复杂机制产品……可以探索本研究中使用的方法，以探索其他具有生物技术相关性的微生物物种的机制。”

Aristilde及其同事在一篇题为“Comamonasplatformfordiversearomaticcarbonmetabolism的ComplexregulationinaComamonasplatform”的论文中报告了他们在NatureChemicalBiology上的工作。

(资料图片)

Comamonas物种几乎无处不在，包括在土壤和污水污泥中。C.testosteroni以其消化合成洗衣粉的天然能力首先引起了研究人员的注意。“C.testosteroniKF-1是从污水污泥中分离出来的，因为它具有降解芳香族合成洗衣表面活性剂的能力，”该团队解释道。科学家随后发现，这种细菌还可以分解塑料和纤维状木质植物材料木质素中的化合物。

“土壤细菌提供了一种未开发的、未充分开发的、自然发生的生化反应资源，可以用来帮助我们处理地球上积累的废物，”Aristilde解释说，他也是西北大学项目可持续发展与能源研究所的成员关于塑料、生态系统和公共卫生。

大多数旨在改造细菌的研究都使用大肠杆菌，它代表了研究最透彻的细菌模型生物。但是大肠杆菌在其自然状态下很容易消耗各种形式的糖分。只要有糖存在，大肠杆菌就会消耗它——并留下塑料化学品。

相反，Comamonas细菌不能使用糖。“C.testosteroni菌株缺乏碳水化合物利用所需的基因，并且天生偏爱芳香族化合物等糖异生物质，”作者指出。Aristilde补充说：“为不同的目的设计细菌是一个费力的过程。重要的是要注意，C.testosteroni不能使用糖，期间。它具有天然的遗传限制，可以防止与糖竞争，使这种细菌成为一个有吸引力的平台。”

C.testosteroni而是利用其他含有碳原子环化合物的碳源。Aristilde进一步向GEN解释说，这种细菌无法使用碳水化合物(即糖)意味着它可以用于专门代谢塑料和植物废物中发现的芳香碳(即非糖化学物质)。“相比之下，目前正在探索的几乎所有用于植物废料塑料的微生物平台都会受到碳水化合物底物和芳香底物代谢之间的竞争的影响，”她说。

但是，虽然研究人员已经知道睾酮梭菌可以消化这些环状化合物，但所涉及的机制还没有得到很好的理解。研究人员指出：“在同化芳香族化合物的过程中，睾酮梭菌菌株的代谢调节仍有待阐明，因此严重限制了利用这些废水分离物代谢异生芳香族化合物的潜力。”Aristilde指出，“这些是具有复杂化学键的碳化合物，”她说。“许多细菌很难将它们分开。”

Aristilde进一步向GEN解释说：“为了利用微生物代谢并使用微生物平台设计目标，重要的是首先要弄清楚代谢是如何在微生物中自然调节的。这样做的原因是因为人们可以为特定目标设计一条路径，但如果不克服该路径的监管控制，这种努力可能会失败，从而导致无法实现目标。研究人员想调查Comamonas如何细菌可以降解和吸收这些复杂形式的碳。为此，包括第一作者RebeccaWilkes在内的研究人员以及芝加哥大学、橡树岭国家实验室和丹麦技术大学的合作者结合了多种形式的基于组学的分析。

通过检查这些多组学分析产生的数据，Aristilde和她的团队能够绘制出睾酮梭菌KF-1细菌用来降解木质素相关芳香族化合物4-羟基苯甲酸酯(4HB)和香草酸酯的代谢途径(VN)，以及与塑料相关的外源性芳香族化合物，对苯二甲酸酯(TER)，转化为用于食品的碳。“作为利用睾酮梭菌和其他非模型物种的必要条件，对其细胞生理学进行全面的多组学研究是必要的，”他们写道。“利用正交方法阐明C.testosteroni中芳香碳通量的代谢控制KF-1，我们将转录组学和蛋白质组学测量与靶向代谢组学数据、13C动力学分析、13C通量组学分析和13C同位素碎片分析相结合，以4HB、VAN和TER为食。”

这种影响深远的多组学研究是一项艰巨的任务，需要各种不同的技术。Aristilde是为数不多的进行此类综合研究的实验室之一。通过他们的工作，该团队发现Comamonas细菌首先分解每种化合物中的碳环。在将环打开成线性结构后，细菌继续将其降解为更短的碎片。

“我们从一种塑料或木质素化合物开始，它有七个或八个碳通过核心六碳圆形连接在一起，形成所谓的苯环，”Aristilde解释说。“然后，他们将其分解成具有三个或四个碳的较短链。在这个过程中，细菌将这些分解产物送入它们的自然新陈代谢，因此它们可以制造氨基酸或DNA来帮助它们生长。”

Aristilde对GEN评论说：“……塑料是聚合物，由单体链组成。塑料分解后，细菌会利用源自塑料聚合物的单体(即分解产物)。我们的研究重点是塑料分解产物的新陈代谢。正如我们在论文中强调的那样，代谢网络中的几种后续产物(即代谢物)是已知的具有商业价值的有价值的化学物质。”

该团队的分析还表明，C.testosteroni可以通过不同的代谢途径引导碳。研究人员写道：“转录水平的调节控制着初始分解代谢和裂解，但代谢物水平的热力学调节控制着中心碳代谢的通量。”“我们发现C.testosteroni的代谢在不同水平上受到调节，并且这些水平是整合的，”Aristilde说。“微生物学的力量是惊人的，可以在建立循环经济中发挥重要作用。”

这些不同的代谢途径可能会产生有用的副产品，这些副产品可能适用于工业相关的聚合物，例如塑料。因此，虽然其他研究人员一直致力于设计可以分解塑料垃圾的细菌，但Aristilde认为，具有天然消化塑料能力的细菌更有希望用于大规模回收应用。

该团队目前正在进行一项研究触发聚合物生物合成的新陈代谢的项目。“对芳香碳利用过程中的调控机制有了新的认识，这些机制涉及转录表达、蛋白质丰度、代谢物水平和代谢通量之间的复杂关系，”科学家们说。“......这些新的多组学观点与特定代谢节点的靶向13C映射相结合，提出了一个指导原则框架，以利用睾酮梭菌和其他生物技术相关细菌专家中芳香碳分解代谢的代谢反应。”

Aristilde进一步指出，“这些Comamonas物种有可能制造出多种与生物技术相关的聚合物。这可能会导致产生塑料的新平台，从而减少我们对石油化学品的依赖。我实验室的主要目标之一是使用可再生资源，例如将废物转化为塑料并从废物中回收养分。这样一来，我们就不必继续提取石油化学品来制造塑料等。”

Aristilde将此扩展到GEN：“这项工作确实处于开始阶段……总的来说，我们感兴趣的是如何探索不同细菌制造聚合物的自然能力。其中一些聚合物可用作塑料的前体(即生物塑料，主要使用植物或塑料废料而不是石油作为起始材料)，其中一些聚合物可用作回收养分的方式，用于与农业相关的养分循环等……在我们的研究中，我们只研究PET类塑料的降解产物。鉴于这种细菌——C.testosteroni——的能力，我们预计它可以利用其他塑料的降解产物，但这在当前的研究中没有得到明确的研究。”

GEN了解到，在继续研究Comamonas物种的同时，研究人员还在探索其他已知的废物降解酶的机制。“我的团队还拥有假单胞菌属物种方面的专业知识，由于其不同的代谢能力，这些物种也具有生物技术重要性，”Aristilde指出。