Question

【題目】閱讀下面的短文，回答問(wèn)題。

“綠色塑料”——“白色污染”的終結(jié)者

由聚苯乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等制成的塑料制品引發(fā)的“白色污染”一直是人類社會(huì)面臨的一大難題。聚羥基脂肪酸酯（PHA）是由細(xì)菌合成的一種胞內(nèi)聚酯，可作為細(xì)菌的儲(chǔ)能物質(zhì)，也可作為家畜的飼料來(lái)源，同時(shí)它具有類似于合成塑料的理化特性，且廢棄后對(duì)環(huán)境無(wú)害并易被生物降解，因此有廣闊的應(yīng)用前景。

嗜鹽細(xì)菌生活在咸水中，能產(chǎn)生PHA，若選為目標(biāo)菌種，則可用海水替代淡水作為發(fā)酵溶劑，節(jié)約大量淡水資源。從海水中獲取的嗜鹽菌種易被海洋中數(shù)量巨大的噬菌體侵染，因此不能用于工業(yè)生產(chǎn)。新疆的艾丁湖湖水鹽濃度高達(dá)200g/L，此地酷熱干燥，科學(xué)家從中找到了可能用來(lái)生產(chǎn)PHA的菌種——野生型LS21。

菌種生產(chǎn)PHA需要用到脂肪酸、丁酸等成本較高的底物�？蒲腥藛T重構(gòu)了菌種的底物代謝途徑，可用廉價(jià)糖類甚至餐余垃圾直接合成PHA，并通過(guò)一定技術(shù)手段調(diào)控代謝途徑，實(shí)現(xiàn)PHA產(chǎn)量的優(yōu)化。菌種對(duì)氧氣的利用率很低，發(fā)酵后期隨著細(xì)胞密度的上升，鼓入的空氣難以滿足細(xì)胞對(duì)氧氣的需求，整個(gè)發(fā)酵體系會(huì)一直處于低氧狀態(tài)。科研人員通過(guò)基因工程手段給其配備血紅蛋白，提高菌種對(duì)氧氣的利用率，降低能耗的同時(shí)也提高了底物轉(zhuǎn)化率。

對(duì)微生物細(xì)胞形態(tài)的改造也可提高PHA合成。例如，過(guò)表達(dá)SulA 基因可以阻遏細(xì)胞的正常分裂，使得細(xì)胞變成狹長(zhǎng)的線形，增大的胞內(nèi)空間使 PHA 積累量提高27%；敲除細(xì)胞骨架蛋白基因MreB，并在低拷貝質(zhì)粒上弱表達(dá)MreB，可以減弱細(xì)胞壁強(qiáng)度，當(dāng)胞內(nèi)有PHA積累時(shí)則撐大了細(xì)胞體積，從而增加PHA的積累空間。菌體的增大使其可以通過(guò)自然沉降而分離，進(jìn)而降低了提取PHA的成本。

當(dāng)菌種達(dá)到一定密度后，會(huì)引發(fā)群體效應(yīng)（QS），菌群釋放AHLs（信號(hào)分子）與相應(yīng)受體蛋白結(jié)合，影響PHA合成相關(guān)基因的表達(dá)，進(jìn)而降低PHA產(chǎn)量。

（1）生產(chǎn)“綠色塑料”目標(biāo)菌種的代謝類型是______________。

（2）從艾丁湖中找到的野生型LS21不會(huì)被海水中的噬菌體所侵染，從細(xì)胞成分和結(jié)構(gòu)角度分析原因____________________________。

（3）從艾丁湖中篩選野生型LS21的基本流程是_____________________________。

（4）結(jié)合本文信息， 寫出“改造后的目標(biāo)菌種”的篩選指標(biāo)_______________。

（5）SulA蛋白是細(xì)胞分裂______________（抑制/促進(jìn)）因子。文中可得出細(xì)胞骨架的功能是_______________。

（6）PHA目前的商業(yè)生產(chǎn)價(jià)格為每千克2．2-5．0歐元，而聚丙烯塑料的價(jià)格僅為每千克1．0歐元。請(qǐng)?zhí)岢鰞煞N可能繼續(xù)降低成本的設(shè)想____________ 。

Answer 1

【答案】異養(yǎng)需氧型 噬菌體侵染細(xì)菌具有專一性，噬菌體侵染細(xì)菌需要與細(xì)菌表面某些特定物質(zhì)識(shí)別，海水中的噬菌體不能識(shí)別LS21 取湖水→涂布在（高鹽）培養(yǎng)基上→培養(yǎng)→挑取單菌落種，分別擴(kuò)大培養(yǎng)→檢測(cè)菌的數(shù)目和PHA產(chǎn)量→獲得目標(biāo)菌株 PHA產(chǎn)量、氧氣利用效率、發(fā)酵底物的多樣性、菌體形態(tài)大小 抑制 維持細(xì)胞形態(tài) ①抑制目標(biāo)菌的群體效應(yīng)；②將廠房建在海邊，降低海水運(yùn)輸成本；

③改進(jìn) PHA 提取方法； ④尋找更廣泛更廉價(jià)的發(fā)酵底物；

⑤進(jìn)一步研究和優(yōu)化代謝途徑。

【解析】

1、噬菌體能夠?qū)Ｒ恍郧秩敬竽c桿菌，侵染過(guò)程：吸附→注入→復(fù)制與合成→裝配→釋放。噬菌體首先與大腸桿菌的表面進(jìn)行識(shí)別并結(jié)合，吸附在大腸桿菌的表面，導(dǎo)致其侵染具有專一性。

2、根據(jù)生物適應(yīng)一定的環(huán)境，環(huán)境對(duì)生物具有選擇作用的原理，可以在根據(jù)菌株生存的環(huán)境篩選所需的菌株；其次，通過(guò)配制選擇培養(yǎng)基，控制培養(yǎng)條件等，可以選擇目的微生物。

（1）根據(jù)題意可知，生產(chǎn)“綠色塑料”目標(biāo)菌種需要用到脂肪酸、丁酸等底物，因此為異養(yǎng)型，且菌種代謝過(guò)程需要消耗氧氣，因此屬于需氧型，故代謝類型為異樣需氧型。

（2）根據(jù)以上分析可知，噬菌體專一性侵染大腸桿菌，從細(xì)胞結(jié)構(gòu)和成分的角度分析是由于噬菌體侵染細(xì)菌需要與細(xì)菌表面某些特定物質(zhì)識(shí)別，而從艾丁湖中找到的野生型LS21不能被噬菌體識(shí)別和結(jié)合，因此野生型LS21不會(huì)被海水中的噬菌體所侵染。

（3）根據(jù)以上微生物的篩選原則，從艾丁湖中篩選野生型LS21利用了從微生物生存的環(huán)境中進(jìn)行篩選的原理，篩選一般用稀釋涂布平板法操作，其篩選的基本流程是：取湖水→涂布在（高鹽）培養(yǎng)基上→培養(yǎng)→挑取單菌落種，分別擴(kuò)大培養(yǎng)→檢測(cè)菌種的數(shù)目和PHA產(chǎn)量→獲得目標(biāo)菌株。

（4）根據(jù)題意可知，從艾丁湖中篩選的野生型LS21，菌種生產(chǎn)PHA需要用到脂肪酸、丁酸等成本較高的底物�？蒲腥藛T重構(gòu)了菌種的底物代謝途徑，可用廉價(jià)糖類甚至餐余垃圾直接合成PHA，并通過(guò)一定技術(shù)手段調(diào)控代謝途徑，實(shí)現(xiàn)PHA產(chǎn)量的優(yōu)化。菌種對(duì)氧氣的利用率很低，發(fā)酵后期隨著細(xì)胞密度的上升，鼓入的空氣難以滿足細(xì)胞對(duì)氧氣的需求，整個(gè)發(fā)酵體系會(huì)一直處于低氧狀態(tài)。科研人員通過(guò)基因工程手段給其配備血紅蛋白，提高菌種對(duì)氧氣的利用率，降低能耗的同時(shí)也提高了底物轉(zhuǎn)化率。另外對(duì)微生物細(xì)胞形態(tài)的改造也可提高PHA合成，如增大細(xì)胞的胞內(nèi)空間或者減弱細(xì)胞壁強(qiáng)度。因此“改造后的目標(biāo)菌種”的篩選指標(biāo)是PHA產(chǎn)量、氧氣利用效率、發(fā)酵底物的多樣性、菌體形態(tài)大小。

（5）根據(jù)題意可知，過(guò)表達(dá)SulA 基因可以阻遏細(xì)胞的正常分裂，因此SulA 基因表達(dá)的蛋白質(zhì)是細(xì)胞分裂抑制因子。根據(jù)題目中信息敲除細(xì)胞骨架蛋白基因MreB，并在低拷貝質(zhì)粒上弱表達(dá)MreB，可以減弱細(xì)胞壁強(qiáng)度，當(dāng)胞內(nèi)有PHA積累時(shí)則撐大了細(xì)胞體積，從而增加PHA的積累空間，據(jù)此推測(cè)細(xì)胞骨架可以維持細(xì)胞形態(tài)。

（6）根據(jù)題意可知，可以通過(guò)重構(gòu)了菌種的底物代謝途徑，可用廉價(jià)糖類甚至餐余垃圾直接合成PHA，并通過(guò)一定技術(shù)手段調(diào)控代謝途徑，實(shí)現(xiàn)PHA產(chǎn)量的優(yōu)化，據(jù)此可能繼續(xù)降低成本的設(shè)想：可以通過(guò)尋找更廣泛更廉價(jià)的發(fā)酵底物；或者進(jìn)一步研究和優(yōu)化代謝途徑。再者根據(jù)題意信息，當(dāng)菌種達(dá)到一定密度后，會(huì)引發(fā)群體效應(yīng)（QS），菌群釋放AHLs（信號(hào)分子）與相應(yīng)受體蛋白結(jié)合，影響PHA合成相關(guān)基因的表達(dá)，進(jìn)而降低PHA產(chǎn)量，據(jù)此可能繼續(xù)降低成本的設(shè)想：可以抑制目標(biāo)菌的群體效應(yīng)�；蛘吒鶕�(jù)題中信息，通過(guò)對(duì)微生物胞形態(tài)的改造提高PHA合成中，敲除細(xì)胞骨架蛋白基因MreB，并在低拷貝質(zhì)粒上弱表達(dá)MreB，最終使細(xì)胞體積增大，而菌體的增大使其可以通過(guò)自然沉降而分離，進(jìn)而降低了提取PHA的成本，據(jù)此可能繼續(xù)降低成本的設(shè)想：改進(jìn) PHA 提取方法。或者根據(jù)題中可用海水替代淡水作為發(fā)酵溶劑的角度分析，能繼續(xù)降低成本的設(shè)想：將廠房建在海邊，降低海水運(yùn)輸成本。