毒性管理是生物学中的一个常见问题。在人体内，毒素通过生化过程和转运机制的组合被清除，产生汗液、尿液和粪便。在细菌中，这个过程要简单得多。不需要的分子被识别、捕获，然后被转运出细胞，这样它们就不会再造成损害。这种现象被称为外排。
已发现并阐明了针对多种潜在微生物毒素的外排途径，范围从 重金属 到 抗生素。当这些外排增加时，出口效率就会提高。整体结果是增强了对细胞内任何物质的耐受性。
从生物工程的角度来看，这是个好消息。一个被“兴奋”的外排系统可以在不担心细菌因毒性作用而死亡的情况下提高化学物质的产量。这在有机 溶剂 的形成中尤为重要，特别是 生物燃料。通过一种有效的方式将这些有时致命的化学物质排出微生物细胞内空间，细菌就能有效地确保其生存。
在过去的几年里，一种特定的分子，异戊醇（也称为3-甲基-1-丁醇和异戊醇），因其在细菌中的快速生产而备受关注。这种短链醇已被证明是重要的，是许多不同行业的前体，从制药到工业化学品，再到风味化合物，如异戊酸异戊酯，它能散发出 香蕉 的香气。但它真正的 潜力 在于它能够像乙醇一样作为一种即用型生物燃料。
在细菌中生产异戊醇的工艺最初是在 2008年 使用最常见的生物工程菌种——大肠杆菌(Escherichia coli)报告的。当时，该工艺被认为是一个突破，但尚未准备好进行规模化生产。到 2012年，发现了一条合成途径，可以将该化合物的大规模生产工程化到细菌中。产量显著提高，潜在的扩张空间也随之增加。
然而，仍然存在一个担忧。增加微生物工厂的规模和能力最初是好的，但当微生物源源不断地生产其产品时，它们就有可能因产品毒性作用而自杀。尽管它们会有效地履行职责，但最终会过早地“死在工作岗位上”。
异戊醇在大肠杆菌(E. coli)中的 毒性 水平为每升两到八克，对于任何显著的益处来说都太低了。为了解决这个问题，必须找到新的方向来确保在足够高的水平上持续输出。为此，可以考虑两种方法。可以设计新的合成途径到细胞中进行测试，看是否有益处。另一种方法是在异戊醇浓度升高的存在下，对细菌进行物理胁迫，并在基因水平上观察微生物如何反应。
对于加州和新加坡的一个合作研究小组来说，后一种选择是最佳的前进方向。上周，他们 报道 了他们试图识别耐受异戊醇毒素并改善生产的必要机制。正如团队所了解到的，给大肠杆菌(E. coli)施加一点压力带来了显著而有益的回报。
实验相对简单。团队培养细菌，然后将它们暴露在异戊醇的亚致死浓度下。在24小时内，他们收集样本并在基因水平上进行分析。如果任何基因的表达水平相对于未暴露的对照组有所增加，就会被克隆并工程化到另一个菌株中。然后重复这个过程。虽然任何基因都可以，但最终目标是识别一个或多个与外排途径相关的基因。
从最初的测试中，选定了40个可能的候选基因。随着实验轮次的进行，数量减少到只有八个。为了进一步缩小范围，研究小组调查了表达是否导致异戊醇产量增加。八个基因中有六个符合条件，其中一个候选基因使产品浓度提高了55%。
虽然这一切都是好消息，但研究小组仍然希望找到一种外排蛋白。随着他们继续实验，他们发现了一个基因——推定的多药ABC转运蛋白，或称mdlB。该基因的蛋白质产物被怀疑是一种 药物转运蛋白，并被认为赋予细菌抗微生物能力。虽然这由于其对耐药性的贡献给公共卫生带来了负担，但对作者来说，这是一个金矿。对他们来说，这是未来研究以提高产量和耐受性的完美候选。
这项研究中外排机制的识别突显了生物燃料生产的未来将如何发展。虽然识别生产燃料的途径是必要的，但确保在此过程中细菌的健康同样重要。在异戊醇生产的情况下，mdlB基因满足了这两个需求。首先，它有助于确保分子的有效生产得以维持。但更重要的是，该基因可以起到挽救机制的作用。如果毒性水平开始升高，这个分子可以被触发过度表达，从而使微生物保持健康，更重要的是，继续“泵送”这种气体。
