化学品的成本不仅仅是金钱：今天，石化生产排放了全球近 2% 的温室气体排放量。现在，研究人员已采取重要步骤，通过使用来自钢铁厂的细菌和废气，而不是石油，作为数十种商品化学品的起始成分，从而大大减少这种足迹。到目前为止，该工艺已用于三种商品化学品。但由于研究人员可能能够将其扩展到其他领域，它可以帮助化学工业摆脱对化石燃料的依赖，并有效地从天空中清除碳。
“利用生物学来利用废气和生产工业化学品真的很令人兴奋，”没有参与这项工作的劳伦斯伯克利国家实验室的生物燃料专家 Corinne Scown 说。“它同时针对两个难以脱碳的行业：钢铁生产和工业化学品。它解决了一个难题。”
几千年来，人类一直在利用微生物来制造酒精、奶酪和酸奶等产品。但工业规模的生物技术直到 1900 年代初才真正起飞，例如，化学家 Chaim Weizmann 设计了几种梭状芽孢杆菌，将淀粉和糖转化为丙酮，丙酮是制造无烟替代品 Cordite 的重要成分到火药。(魏茨曼的成功是盟军在第一次世界大战中获胜的关键，并让他声名鹊起;作为犹太复国主义政治家和化学家，魏茨曼最终在 1949 年成为以色列的第一任总统。)但是 1950 年代和 60 年代石油工业的兴起为化学品制造商提供了数十种商品化学品的更便宜的起始材料，将大多数微生物归入工业垃圾箱。
但不是所有的。今天，酵母和大肠杆菌被广泛用于生产一系列商品化学品，包括用于燃料的乙醇以及用于制造药品和塑料的化合物。但这些工业用马也有自己的环境足迹，因为它们发酵的糖和淀粉来自玉米和甘蔗等农作物。到 2026 年，美国用于生产乙醇的玉米将占全国农田的 19%。
生物技术公司 LanzaTech 的合成生物学家 Michael Köpke 说，现在，合成生物学家正在推动利用工业、垃圾场和农作物生产产生的废气，以更环保的饮食方式培养微生物。在 1990 年代，研究人员设计了Clostridium autoethanogenum(C. auto)，一种最初从兔子粪便中富集的细菌，可以从氢气和一氧化碳 (CO) 中产生乙醇。从那时起，研究人员缓慢地提高了乙醇产量并将该工艺商业化。2018 年 6 月，LanzaTech 开设了第一家使用这种细菌从钢铁厂废气(主要是一氧化碳、二氧化碳和氢气的混合物)中制造乙醇的生产工厂，否则这些废气会排放到大气中。该公司现在使用这项技术每年生产约 90,000 吨乙醇。
尽管如此，C. auto从未与大肠杆菌或酵母菌的多功能性相提并论。“到目前为止，对梭状芽胞杆菌进行工程改造一直很困难，”西北大学的合成生物学家 Michael Jewett 说。细菌生长缓慢，它们因暴露于氧气而死亡。此外，研究人员几乎没有量身定制的基因编辑工具来改变微生物的新陈代谢。
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不再。Jewett、Köpke 和他们的同事使用多步骤策略诱使C. auto生产丙酮和异丙醇 (IPA)，这是一种在消毒剂和清洁剂中发现的无色液体。他们首先收集了由退休的南非微生物学家 David T. Jones 维护的 272 种食糖梭菌菌株，他是魏茨曼最后的博士后助理之一。研究小组将细菌细胞分解并从它们中挖掘出似乎在丙酮生物合成中起作用的酶。他们对其中 30 种酶的基因进行了测序，并通过称为质粒的基因传递载体将它们的组合插入到C. auto中。另外，研究人员设计了C. auto的新陈代谢，以防止碳和氢构成其他不需要的化学物质。最终，Jewett、Köpke 和他们的同事生成并筛选了 247 种细菌的遗传变异体，以找到最好的化学生产商。结果，他们今天在Nature Biotechnology上报告说，C. auto菌株不断将钢铁废气转化为足够的丙酮和 IPA，使其成为大规模商业生产的可行候选者。
Jewett 预计相同的过程可以使细菌产生多种其他化学物质，例如用于清漆的丁醇和用于化妆品的丙二醇。Scown 补充说，新的合成生物学技术还可以帮助将其他顽固的微生物转化为工业主力。“我们只是在未来可能可行的[微生物]宿主方面触及表面，”她说。
这一进展还可能为能够以其他废气为食的工程微生物打开大门，例如由城市固体废物和农业垃圾产生的那些。如果像C. auto一样，这些微生物在制造产品时使用的碳比释放到大气中的碳还多，那么工业化学品生产有朝一日可能会从温室气体流氓变成冠军。
