基因改良大腸桿菌產出新型生物燃料可替代柴油

日期：2011-11-04 09:06:01

據報道，美國科學家們使用合成生物學方法，修改了大腸桿菌和一個釀酒酵母的菌株，制造出了沒藥烷的前體物沒藥烯。測試表明，對沒藥烯進行加氫反應生成的沒藥烷是一種“綠色”的生物燃料，有潛力替代D2柴油。研究發表在《自然·通訊》雜志上。

“這是科學家們首次報告稱沒藥烷可替代D2柴油，也是首次報告稱可通過大腸桿菌和釀酒酵母生產出沒藥烷。”該研究的主要作者、美國能源部下屬的聯合生物能源研究所（JBEI）代謝工程（通過基因工程方法改變細胞的代謝途徑）項目主管李淳太（音譯）說。

與日俱增的燃料成本以及對燃燒化石燃料會加劇全球變暖趨勢的擔憂等，驅使科學家想盡一切辦法尋找碳中和的可再生能源。從多年生牧草和其他非食品植物以及農業廢物的纖維素生物質中提取出的液態生物燃料一直被認為有潛力替代汽油、柴油和航空煤油。

不過，現有占主流的生物燃料乙醇只能有限地用于汽油發動機中，而無法用于柴油機或航空噴氣式發動機內；另外，乙醇也會腐蝕石油管道和油罐，人們急需可與現有發動機、運輸和存儲設備兼容的高級生物燃料。

聯合生物能源研究所是美國能源部于2007年建立的三個生物能源研究中心之一，他們正在加緊研制從國家層面來講性價比高的生物燃料。其中一個研究對象是擁有15個碳原子（柴油燃料一般有10到24個碳原子）的倍半萜烯。

該研究的合作者、聯合生物能源研究所所長杰伊·科斯林表示：“倍半萜烯的能源含量特別高，其物理化學性質也與柴油和航空燃油一樣，盡管植物是其天然來源，但對細菌進行轉基因修改是最方便且性價比最高的大規模制造高級生物燃料的方法。”

在此前的研究中，李淳太團隊對大腸桿菌和釀酒酵母的一個新的甲羥戊酸途徑（對生物合成至關重要的代謝反應）進行了基因修改，使這兩個微生物過度生產出了化學物質尼基二磷酸（FPP），使用酶可將其合成為理想的萜烯。在最新研究中，李淳太和同事使用該甲羥戊酸途徑制造出了沒藥烷（萜烯類化合物家族的一員）的前體物沒藥烯，并通過加氫反應制造出沒藥烷。

科學家們對沒藥烷進行的燃料性能方面的測試表明，其擁有作為生物燃料的潛能。李淳太說：“沒藥烷和D2柴油的性能幾乎一樣，但其有分叉的環式化學結構，這使其凝固點和濁點更低，作為生物燃料使用，這是一大優勢。我們可設計一個甲羥戊酸途徑來產生沒藥烯，該平臺幾乎與制造防蚊蟲藥物青蒿素的平臺一樣，我們唯一需要做的修改是引入一個烯萜類合成酶并對該途徑進行進一步修改以提高大腸桿菌和釀酒酵母產生沒藥烯的數量。”

李淳太團隊想將烯屬烴還原酶編入大腸桿菌和釀酒酵母體內，以取代沒藥烯加氫反應的化學處理步驟，使所有化學反應都在微生物體內進行。他說：“這類用酶促進的加氫反應極具挑戰性，也是我們的長期目標。我們也將研究使用生物質中提取出來的糖作為碳源生產沒藥烯的可行性。”