通过使用转基因酵母 科学家利用废弃的植物物质有效地生产生物燃料

美国种植的玉米比任何其他作物都多，但只利用植物的一小部分来生产食物和燃料；一旦人们收获了玉米粒，就会留下不可食用的叶子、茎秆。如果这种被称为玉米秸秆的植物物质能够有效地发酵成乙醇，那么秸秆就可以成为一种大规模的可再生燃料来源。

怀特海研究所成员、麻省理工学院（MIT）生物学教授Gerald Fink说：“秸秆的产量巨大，与石油的规模相当。但要廉价地使用它们来制造生物燃料和其他重要的化学品，存在着巨大的技术挑战。”因此，年复一年，大部分的玉米秸秆被留在田里腐烂。

现在，Fink和麻省理工学院化学工程教授Gregory Stephanopolous在麻省理工学院博士后研究员 Felix Lam的领导下进行的一项新研究提供了一种更有效地利用这种未充分利用的燃料来源的方法。通过改变普通酵母模型--面包酵母Saccharomyces cerevisiae--周围的生长介质条件，并添加一种毒素破坏酶的基因，他们能够使用酵母从木质玉米材料中制造乙醇和塑料，其效率与典型的乙醇来源接近。

多年来，生物燃料行业一直依靠酵母等微生物将玉米粒中的糖类葡萄糖、果糖和蔗糖转化为乙醇，然后与传统汽油混合，为我们的汽车提供燃料。

玉米秸秆和其他类似材料也充满了糖分，其形式是一种叫做纤维素的分子。虽然这些糖也可以转化为生物燃料，但由于植物紧紧抓住它们，将纤维素分子以链的形式捆绑在一起，并将它们包裹在称为木质素的纤维分子中，所以更加困难。打破这些坚硬的外壳，分解糖链，会产生一种化学混合物，对传统的发酵微生物来说是一种挑战。

为了帮助生物体的发展，乙醇生产厂的工人用酸性溶液对高纤维素材料进行预处理，以分解这些复杂的分子，使酵母能够进行发酵。然而，这种处理方法的一个副作用是产生了一种叫做醛的分子，这种分子对酵母是有毒的。研究人员过去曾探索过不同的方法来减少醛类的毒性，但考虑到整个过程需要接近于零的成本，解决方案是有限的。Lam说：“这是为了制造乙醇，这实际上是我们燃烧的东西。它必须是非常便宜的。”

面对这一经济和科学问题，工业界已经削减了从富含纤维素的材料中制造乙醇的工作。麻省理工学院教授Gregory Stephanopoulos说：“这些毒素是以低成本生产生物燃料的最大限制之一。”

为了解决毒素问题，研究人员决定把重点放在加入酸以分解坚硬分子时产生的醛类上。“我们不知道醛类攻击微生物的确切机制，所以接下来的问题是，如果我们并不真正知道它攻击的是什么，我们如何解决这个问题？”Lam说。“所以我们决定用化学方法将这些醛类转化为酒精形式。”

该团队开始寻找专门将醛类转化为醇类的基因，并找到了一个名为GRE2的基因。他们对该基因进行了优化，通过一个称为定向进化的过程使其更加有效，然后将其引入通常用于乙醇发酵的酵母，即酿酒酵母。当带有进化的GRE2基因的酵母细胞遇到醛类物质时，它们能够通过粘附额外的氢原子将其转化为酒精。

由此产生的高水平的乙醇和其他由纤维素产生的酒精在过去可能会构成一个问题，但在这一点上，Lam过去的研究开始发挥作用。在Lam、Stephanopoulos和Fink 2015年的一篇论文中，研究人员开发了一个系统，使酵母对各种酒精的耐受性更强，以便用更少的酵母生产更多的燃料。该系统涉及测量和调整酵母生长介质中的pH值和钾的水平，这将化学地稳定细胞膜。

通过将这种方法与他们新改良的酵母结合起来，“我们基本上将醛问题引向了酒精问题，我们以前也曾研究过这个问题，”Lam说。“我们改变并解毒了醛类，使其成为我们知道如何处理的形式。”

当他们测试该系统时，研究人员能够有效地从玉米秸秆、杂草和其他类型的植物物质中制造乙醇甚至塑料前体。"Fink说：“我们能够用我们的系统生产出每单位材料的高量乙醇。这表明，对于从富含纤维素的植物材料中制造燃料时出现的化学和经济问题，这有很大的潜力，可以成为一个具有成本效益的解决方案。”

扩大规模

当涉及到在全美范围内实施替代燃料时，替代燃料来源往往面临挑战；例如，电动汽车需要一个全国性的充电基础设施，以便成为燃气汽车的一个可行的替代品。

研究人员的新系统的一个基本特征是，基础设施已经到位；乙醇和其他液体生物燃料与现有的汽油车兼容，因此几乎不需要改变汽车车队或消费者的加油习惯。他说：“现在（美国）每年生产约150亿加仑的乙醇，所以它是大规模的。这意味着有数十亿美元的资金和价值数十年的基础设施。如果你能插入这些基础设施，你就能更快地进入市场。”

玉米秸秆只是高纤维素材料的众多来源之一。其他植物，如小麦秸秆和水曲柳可以极其便宜地种植。“现在这个国家的纤维素的主要来源是玉米秸秆，”Lam说。“但是如果对纤维素有需求，因为你现在可以以可持续的方式制造所有这些基于石油的化学品，那么希望农民会开始种植水曲柳，以及所有这些超级密集的秸秆。”

在未来，研究人员希望调查用这些抗毒素基因改造酵母的潜力，以创造多样化的生物燃料类型，如可用于典型燃料燃烧发动机的柴油。Lam说：“如果我们能够将这一系统用于其他燃料类型，我认为这将在解决诸如船舶和重型机械等部门的问题上发挥巨大作用，这些部门由于没有其他电动或非排放的解决方案而继续造成污染。”