撰文 | 刘波

编辑 | 咖喱

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作为炒菜大国，中国每年都会产生几百万吨地沟油。

2011年8月，公安部统一部署，侦破用地沟油制售食用油案件135起，抓获涉案人员近800人[1, 2]；2016年11月，浙江8家火锅店因涉地沟油被查[3]；今年4月，四川又再次曝光4起地沟油案件[4]。“地沟油”事件屡禁不止，严重危害食品安全。然而，如果不上餐桌，这几百万吨地沟油的出路又在哪里？

目前，地沟油再利用的主要途径是生产生物柴油[5]。然而，生物柴油的成本远高于普通柴油，例如，一吨普通航油大约4000多元，而一吨生物航油却需要3万元，生物柴油企业难以生存[6]。

在这样的环境下，中科院微生物所陶勇团队、马延和团队和青岛生物能源与过程所赵广团队合作，给出了他们的解决方法：利用生物发酵技术，以地沟油和二氧化碳为原料合成可降解塑料前体[7]。为地沟油找出路、为温室气体找用途、为白色污染寻方案，可谓一箭三雕。

废弃油脂+温室气体+白色污染（图源：pixabay）

用什么原料合成什么产品

在现有生物合成实践中，最常用的原料是来源充足、成本较低的葡萄糖。但在大多数合成过程中，葡萄糖分子中的6个碳原子都会有所流失，只有部分转化为产品，剩余碳原子则转化为二氧化碳排放到大气中：原子经济性不高，而且产生温室气体。

这一次，研究者把目光转向了以地沟油为代表的废弃油脂。油脂的主要组分是脂肪酸，它可以经β-氧化途径在不丢失碳原子的情况下得到生物制造的重要中间体——乙酰辅酶A，具有更高的原子经济性。而且，在当前国际市场上，地沟油等废弃油脂的价格与葡萄糖相当，并不会提高原料成本。

那么，用这些脂肪酸合成什么产品呢？

研究者选择了3羟基丙酸（3HP）。3HP是合成聚3羟基丙酸（P3-HP）塑料的前体原料。P3-HP物理性能优良、生物相容性好，并可被土壤中的微生物直接降解，可广泛应用于医疗器械，包装材料、农田地膜等。在微生物体内以脂肪酸为原料，经固碳途径合成3HP，其理论转化率远高于葡萄糖路线（2.49倍）。

以不同碳源合成3HP的理论得率对比

把大肠杆菌变成细胞工厂

那么该怎样合成呢？研究者把大肠杆菌变成了细胞工厂。

大肠杆菌是最常用的生物工程菌种，但遗憾的是，野生型的大肠杆菌并不能很好地利用脂肪酸，这其中最重要的原因是FadR蛋白对脂肪酸代谢途径的抑制。所以，研究者做的第一件事就是敲除了编码FadR蛋白的fadR基因，初步构建出了可以代谢脂肪酸的菌株FA01。在此基础上，研究者又进一步加强了脂肪酸代谢通路中的fadL和fadD两个基因，得到代谢能力更高的FA03菌株。

到这里为止，FA03已经能够比较高效地代谢脂肪酸，但它将脂肪酸合成为终产物3HP的能力还是很低。所以，研究人员又对一系列3HP合成相关的基因进行改造，打造出了产量更高的菌种。

最后，研究者又将二氧化碳固定模块整合到了大肠杆菌中。这个模块中的基因可以帮助大肠杆菌更好地吸收HCO₃^-离子，提高细胞内的二氧化碳浓度。由于二氧化碳也是合成3HP的原料之一，这一改进又一次大幅提高了菌株的3HP合成能力。

最终，通过对以上3个模块的基因改造，研究人员得到的大肠杆菌菌种能够以1克脂肪酸为原料，合成出1.56克 3HP。这一成绩远远超过了以葡萄糖为原料合成3HP的理论值。如果能够将上述工艺投入产业实践，将建立一个全新的绿色生物制造路线。

这项工作发表于代谢工程领域顶级期刊Metabolic Engineering （点击“阅读原文”跳转），中国科学院微生物研究所刘伟丰博士、马延和研究员为共同通讯作者，博士生刘波为第一作者。

刘伟丰博士表示：“以廉价的替代原料，通过更高效率的合成途径获得有价值的产品，一直是生物工程领域的研究目标。地沟油和二氧化碳都是很好的生产原料。下一步我们将与企业合作，利用我们的菌株，在工业生产水平上建立并推广真正的绿色生产模式。此外，我们将以地沟油或其他廉价油脂为原料，开发更多产品的生产路线，从而开辟一条环保和生产相结合的新路。”

参考资料

[1] http://news.163.com/11/1213/14/7L5N6UOD00014JB5.html

[2] http://news.cri.cn/gb/27824/2012/03/28/110s3620083.htm

[3] https://news.china.com/socialgd/10000169/20161129/30057108.html

[4] http://scnews.newssc.org/system/20180413/000869855.html

[5] Karmee, S.K., 2016. Fuel not food—towards sustainable utilization of gutter oil. Biofuels. https://doi.org/10.1080/17597269.2016.1231952.

[6] 覃彪. 我国地沟油回收处理过程中存在的问题[J].遵义:遵义师范学院,2016(18)2.112-114.

[7] B. Liu et al. Efficient production of 3-hydroxypropionate from fatty acids feedstock in Escherichia coli.  https://doi.org/10.1016/j.ymben.2018.10.00

文章头图及封面图片来源：pixabay.com