Question

【題目】閱讀下面的短文，回答問題。

“綠色塑料”——“白色污染”的終結者

由聚苯乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等制成的塑料制品引發的“白色污染”一直是人類社會面臨的一大難題。聚羥基脂肪酸酯（PHA）是由細菌合成的一種胞內聚酯，可作為細菌的儲能物質，也可作為家畜的飼料來源，同時它具有類似于合成塑料的理化特性，且廢棄后對環境無害并易被生物降解，因此有廣闊的應用前景。

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

菌種生產PHA需要用到脂肪酸、丁酸等成本較高的底物。科研人員重構了菌種的底物代謝途徑，可用廉價糖類甚至餐余垃圾直接合成PHA，并通過一定技術手段調控代謝途徑，實現PHA產量的優化。菌種對氧氣的利用率很低，發酵后期隨著細胞密度的上升，鼓入的空氣難以滿足細胞對氧氣的需求，整個發酵體系會一直處于低氧狀態�？蒲腥藛T通過基因工程手段給其配備血紅蛋白，提高菌種對氧氣的利用率，降低能耗的同時也提高了底物轉化率。

對微生物細胞形態的改造也可提高PHA合成。例如，過表達SulA 基因可以阻遏細胞的正常分裂，使得細胞變成狹長的線形，增大的胞內空間使 PHA 積累量提高27%；敲除細胞骨架蛋白基因MreB，并在低拷貝質粒上弱表達MreB，可以減弱細胞壁強度，當胞內有PHA積累時則撐大了細胞體積，從而增加PHA的積累空間。菌體的增大使其可以通過自然沉降而分離，進而降低了提取PHA的成本。

當菌種達到一定密度后，會引發群體效應（QS），菌群釋放AHLs（信號分子）與相應受體蛋白結合，影響PHA合成相關基因的表達，進而降低PHA產量。

（1）生產“綠色塑料”目標菌種的代謝類型是______________。

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

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

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

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

（6）PHA目前的商業生產價格為每千克2．2-5．0歐元，而聚丙烯塑料的價格僅為每千克1．0歐元。請提出兩種可能繼續降低成本的設想____________ 。

Answer 1

【答案】異養需氧型 噬菌體侵染細菌具有專一性，噬菌體侵染細菌需要與細菌表面某些特定物質識別，海水中的噬菌體不能識別LS21 取湖水→涂布在（高鹽）培養基上→培養→挑取單菌落種，分別擴大培養→檢測菌的數目和PHA產量→獲得目標菌株 PHA產量、氧氣利用效率、發酵底物的多樣性、菌體形態大小 抑制 維持細胞形態 ①抑制目標菌的群體效應；②將廠房建在海邊，降低海水運輸成本；

③改進 PHA 提取方法； ④尋找更廣泛更廉價的發酵底物；

⑤進一步研究和優化代謝途徑。

【解析】

1、噬菌體能夠專一性侵染大腸桿菌，侵染過程：吸附→注入→復制與合成→裝配→釋放。噬菌體首先與大腸桿菌的表面進行識別并結合，吸附在大腸桿菌的表面，導致其侵染具有專一性。

2、根據生物適應一定的環境，環境對生物具有選擇作用的原理，可以在根據菌株生存的環境篩選所需的菌株；其次，通過配制選擇培養基，控制培養條件等，可以選擇目的微生物。

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

（2）根據以上分析可知，噬菌體專一性侵染大腸桿菌，從細胞結構和成分的角度分析是由于噬菌體侵染細菌需要與細菌表面某些特定物質識別，而從艾丁湖中找到的野生型LS21不能被噬菌體識別和結合，因此野生型LS21不會被海水中的噬菌體所侵染。

（3）根據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境中進行篩選的原理，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）培養基上→培養→挑取單菌落種，分別擴大培養→檢測菌種的數目和PHA產量→獲得目標菌株。

（4）根據題意可知，從艾丁湖中篩選的野生型LS21，菌種生產PHA需要用到脂肪酸、丁酸等成本較高的底物。科研人員重構了菌種的底物代謝途徑，可用廉價糖類甚至餐余垃圾直接合成PHA，并通過一定技術手段調控代謝途徑，實現PHA產量的優化。菌種對氧氣的利用率很低，發酵后期隨著細胞密度的上升，鼓入的空氣難以滿足細胞對氧氣的需求，整個發酵體系會一直處于低氧狀態�？蒲腥藛T通過基因工程手段給其配備血紅蛋白，提高菌種對氧氣的利用率，降低能耗的同時也提高了底物轉化率。另外對微生物細胞形態的改造也可提高PHA合成，如增大細胞的胞內空間或者減弱細胞壁強度。因此“改造后的目標菌種”的篩選指標是PHA產量、氧氣利用效率、發酵底物的多樣性、菌體形態大小。

（5）根據題意可知，過表達SulA 基因可以阻遏細胞的正常分裂，因此SulA 基因表達的蛋白質是細胞分裂抑制因子。根據題目中信息敲除細胞骨架蛋白基因MreB，并在低拷貝質粒上弱表達MreB，可以減弱細胞壁強度，當胞內有PHA積累時則撐大了細胞體積，從而增加PHA的積累空間，據此推測細胞骨架可以維持細胞形態。

（6）根據題意可知，可以通過重構了菌種的底物代謝途徑，可用廉價糖類甚至餐余垃圾直接合成PHA，并通過一定技術手段調控代謝途徑，實現PHA產量的優化，據此可能繼續降低成本的設想：可以通過尋找更廣泛更廉價的發酵底物；或者進一步研究和優化代謝途徑。再者根據題意信息，當菌種達到一定密度后，會引發群體效應（QS），菌群釋放AHLs（信號分子）與相應受體蛋白結合，影響PHA合成相關基因的表達，進而降低PHA產量，據此可能繼續降低成本的設想：可以抑制目標菌的群體效應�；蛘吒鶕�題中信息，通過對微生物胞形態的改造提高PHA合成中，敲除細胞骨架蛋白基因MreB，并在低拷貝質粒上弱表達MreB，最終使細胞體積增大，而菌體的增大使其可以通過自然沉降而分離，進而降低了提取PHA的成本，據此可能繼續降低成本的設想：改進 PHA 提取方法�；蛘吒鶕�題中可用海水替代淡水作為發酵溶劑的角度分析，能繼續降低成本的設想：將廠房建在海邊，降低海水運輸成本。