Question

【题目】阅读下面的短文，回答问题。

“绿色塑料”——“白色污染”的终结者

由聚苯乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等制成的塑料制品引发的“白色污染”一直是人类社会面临的一大难题。聚羟基脂肪酸酯（PHA）是由细菌合成的一种胞内聚酯，可作为细菌的储能物质，也可作为家畜的饲料来源，同时它具有类似于合成塑料的理化特性，且废弃后对环境无害并易被生物降解，因此有广阔的应用前景。

嗜盐细菌生活在咸水中，能产生PHA，若选为目标菌种，则可用海水替代淡水作为发酵溶剂，节约大量淡水资源。从海水中获取的嗜盐菌种易被海洋中数量巨大的噬菌体侵染，因此不能用于工业生产。新疆的艾丁湖湖水盐浓度高达200g/L，此地酷热干燥，科学家从中找到了可能用来生产PHA的菌种——野生型LS21。

菌种生产PHA需要用到脂肪酸、丁酸等成本较高的底物。科研人员重构了菌种的底物代谢途径，可用廉价糖类甚至餐余垃圾直接合成PHA，并通过一定技术手段调控代谢途径，实现PHA产量的优化。菌种对氧气的利用率很低，发酵后期随着细胞密度的上升，鼓入的空气难以满足细胞对氧气的需求，整个发酵体系会一直处于低氧状态。科研人员通过基因工程手段给其配备血红蛋白，提高菌种对氧气的利用率，降低能耗的同时也提高了底物转化率。

对微生物细胞形态的改造也可提高PHA合成。例如，过表达SulA 基因可以阻遏细胞的正常分裂，使得细胞变成狭长的线形，增大的胞内空间使 PHA 积累量提高27%；敲除细胞骨架蛋白基因MreB，并在低拷贝质粒上弱表达MreB，可以减弱细胞壁强度，当胞内有PHA积累时则撑大了细胞体积，从而增加PHA的积累空间。菌体的增大使其可以通过自然沉降而分离，进而降低了提取PHA的成本。

当菌种达到一定密度后，会引发群体效应（QS），菌群释放AHLs（信号分子）与相应受体蛋白结合，影响PHA合成相关基因的表达，进而降低PHA产量。

（1）生产“绿色塑料”目标菌种的代谢类型是______________。

（2）从艾丁湖中找到的野生型LS21不会被海水中的噬菌体所侵染，从细胞成分和结构角度分析原因____________________________。

（3）从艾丁湖中筛选野生型LS21的基本流程是_____________________________。

（4）结合本文信息， 写出“改造后的目标菌种”的筛选指标_______________。

（5）SulA蛋白是细胞分裂______________（抑制/促进）因子。文中可得出细胞骨架的功能是_______________。

（6）PHA目前的商业生产价格为每千克2．2-5．0欧元，而聚丙烯塑料的价格仅为每千克1．0欧元。请提出两种可能继续降低成本的设想____________ 。

Answer 1

【答案】异养需氧型 噬菌体侵染细菌具有专一性，噬菌体侵染细菌需要与细菌表面某些特定物质识别，海水中的噬菌体不能识别LS21 取湖水→涂布在（高盐）培养基上→培养→挑取单菌落种，分别扩大培养→检测菌的数目和PHA产量→获得目标菌株 PHA产量、氧气利用效率、发酵底物的多样性、菌体形态大小 抑制 维持细胞形态 ①抑制目标菌的群体效应；②将厂房建在海边，降低海水运输成本；

③改进 PHA 提取方法； ④寻找更广泛更廉价的发酵底物；

⑤进一步研究和优化代谢途径。

【解析】

1、噬菌体能够专一性侵染大肠杆菌，侵染过程：吸附→注入→复制与合成→装配→释放。噬菌体首先与大肠杆菌的表面进行识别并结合，吸附在大肠杆菌的表面，导致其侵染具有专一性。

2、根据生物适应一定的环境，环境对生物具有选择作用的原理，可以在根据菌株生存的环境筛选所需的菌株；其次，通过配制选择培养基，控制培养条件等，可以选择目的微生物。

（1）根据题意可知，生产“绿色塑料”目标菌种需要用到脂肪酸、丁酸等底物，因此为异养型，且菌种代谢过程需要消耗氧气，因此属于需氧型，故代谢类型为异样需氧型。

（2）根据以上分析可知，噬菌体专一性侵染大肠杆菌，从细胞结构和成分的角度分析是由于噬菌体侵染细菌需要与细菌表面某些特定物质识别，而从艾丁湖中找到的野生型LS21不能被噬菌体识别和结合，因此野生型LS21不会被海水中的噬菌体所侵染。

（3）根据以上微生物的筛选原则，从艾丁湖中筛选野生型LS21利用了从微生物生存的环境中进行筛选的原理，筛选一般用稀释涂布平板法操作，其筛选的基本流程是：取湖水→涂布在（高盐）培养基上→培养→挑取单菌落种，分别扩大培养→检测菌种的数目和PHA产量→获得目标菌株。

（4）根据题意可知，从艾丁湖中筛选的野生型LS21，菌种生产PHA需要用到脂肪酸、丁酸等成本较高的底物。科研人员重构了菌种的底物代谢途径，可用廉价糖类甚至餐余垃圾直接合成PHA，并通过一定技术手段调控代谢途径，实现PHA产量的优化。菌种对氧气的利用率很低，发酵后期随着细胞密度的上升，鼓入的空气难以满足细胞对氧气的需求，整个发酵体系会一直处于低氧状态。科研人员通过基因工程手段给其配备血红蛋白，提高菌种对氧气的利用率，降低能耗的同时也提高了底物转化率。另外对微生物细胞形态的改造也可提高PHA合成，如增大细胞的胞内空间或者减弱细胞壁强度。因此“改造后的目标菌种”的筛选指标是PHA产量、氧气利用效率、发酵底物的多样性、菌体形态大小。

（5）根据题意可知，过表达SulA 基因可以阻遏细胞的正常分裂，因此SulA 基因表达的蛋白质是细胞分裂抑制因子。根据题目中信息敲除细胞骨架蛋白基因MreB，并在低拷贝质粒上弱表达MreB，可以减弱细胞壁强度，当胞内有PHA积累时则撑大了细胞体积，从而增加PHA的积累空间，据此推测细胞骨架可以维持细胞形态。

（6）根据题意可知，可以通过重构了菌种的底物代谢途径，可用廉价糖类甚至餐余垃圾直接合成PHA，并通过一定技术手段调控代谢途径，实现PHA产量的优化，据此可能继续降低成本的设想：可以通过寻找更广泛更廉价的发酵底物；或者进一步研究和优化代谢途径。再者根据题意信息，当菌种达到一定密度后，会引发群体效应（QS），菌群释放AHLs（信号分子）与相应受体蛋白结合，影响PHA合成相关基因的表达，进而降低PHA产量，据此可能继续降低成本的设想：可以抑制目标菌的群体效应。或者根据题中信息，通过对微生物胞形态的改造提高PHA合成中，敲除细胞骨架蛋白基因MreB，并在低拷贝质粒上弱表达MreB，最终使细胞体积增大，而菌体的增大使其可以通过自然沉降而分离，进而降低了提取PHA的成本，据此可能继续降低成本的设想：改进 PHA 提取方法。或者根据题中可用海水替代淡水作为发酵溶剂的角度分析，能继续降低成本的设想：将厂房建在海边，降低海水运输成本。