2023年地球日:微生物群落能否将塑料垃圾转化为可持续食物

　　

 

 
地球日几乎在这里,重要的是要记住，我们的星球是由无数相互联系的部分组成的，从浩瀚的海洋到微生物的微观世界。尽管微生物体积很小，但它们在塑造我们的世界方面发挥着巨大的作用。从云的形成到食物的生产、医药，甚至可能是人类的行为，它们都与之有关。鉴于这种对生态过程的看似巨大的影响，科学家们在密歇根理工大学现在，我们正在寻找细菌来帮助解决我们这个时代最大的环境和人道主义挑战:塑料垃圾和粮食不安全。 

微生物直接分解塑料通常是一个缓慢而低效的过程，因为塑料聚合物需要大量的能量才能分解。然而，塑料分解的化学方法可以迅速将塑料分解成中间化合物，微生物可以更彻底地处理和转化为生物质。

解决具有挑战性问题的创新方法

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知道了这些困难，密歇根理工大学的Stephen Techtmann的研究小组正在开发一种将塑料转化为食物的化学和生物过程。这个灵活的系统涉及将烯烃塑料(HDPE, LDPE, PP)和酯基塑料(PET)转化为生物质，使用两种化学过程和可以在塑料基投入物上生长的细菌联盟。在此过程中培养的细菌生物量可以作为微生物细胞回收，并以类似于营养性酵母或螺旋藻的方式用作食物或食物补充剂(例如，单细胞蛋白质)。在他们的研究早期，Techtmann实验室意识到，为了优化和提高他们系统内生物量的生长效率，他们需要一种方法来自信地识别和广泛表征他们开发的塑料降解微生物群落中的独特物种和菌株。

启动PacBio长读宏基因组学的进展

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在2021年获得PacBio SMRT拨款之前，研究人员只有用于消化和灵活转化塑料的微生物群落的传统简短数据。这使得研究小组对细菌群落的组成和集体功能能力有了一个不完整的了解。因此，为了填补这一信息空白并推进他们的工艺设计，他们利用PacBio长读宏基因组学成功捕获并关闭了实验微生物群落中发现的菌株的宏基因组组装基因组(MAGs)。

 

           

图1所示。对两个塑料降解微生物群落进行了短读测序和长读测序，比较了宏基因组组装基因组(MAGs)恢复的质量指标。图片来源:Techtmann Lab。

             
该团队利用HiFi mag更有效地识别基因和注释功能的能力，帮助他们了解哪些生物在塑料分解中执行特定的代谢功能，并使他们能够梳理出社区内的分工和专业化等细节。

 

 

           

图2。宏基因组组装基因组(MAG)完整性和污染评分以及主要HDPE和PET降解物种在Techtmann组实验微生物群落中的分类分配。图片来源:Techtmann Lab。

             
现在，利用PacBio HiFi宏基因组学技术，已经可以更清晰地了解微生物群落结构，Techtmann的实验室正专注于如何瞄准和优化从塑料废物中生产生物质的更多颗粒方面。在这一成功的基础上，该团队已经开始计划通过化学分析、全动物筛选和其他方法来检查微生物生物量的安全性和营养成分            在网上筛选与毒素和过敏原产生有关的基因。他们希望，这与化学和生物过程相结合，将有可能产生一种低成本的膳食补充剂，这可能会彻底改变世界各地人们对抗饥饿的方式，同时也通过减少塑料废物来实现更清洁的环境。            

引领我们走向与地球平衡的更光明的未来

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测序技术正在进入一个新的时代，在这个时代，实现微生物研究的全部潜力所必需的读取长度和准确性可以被世界各地的更多研究团队比以往任何时候都更快、更经济地获得。尽管如此，微生物在我们日常生活中的存在仍然是深刻的，而且在很大程度上仍然是未知的。要产生真正的影响，需要有进取心的人前所未有地获得有关微生物基因组和群落概况的信息，才能有所作为。在宏基因组学中，HiFi测序使研究人员不仅能够开拓和探索全新的发现途径，而且还可以重新审视现有的挑战，这对人类如何更可持续地与我们的生活世界联系具有重要意义。

让我们共同努力，实现基因组学的承诺，为地球和我们自己创造一个更光明的未来。

地球日快乐!