稻草、玉米秸秆如何变成生物燃料?
发布时间:2019-05-16
出品:科普中国
制作:颜飞(中国科学院青岛生物能源与过程研究所)
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  “中国制造2025”遇上德国“工业4.0”,共同掀起智能化产业革命的浪潮。人类在大世界干得热火朝天,与此同时微观世界的细胞工业智能化时代也已具雏形。 

    

  一个细胞就是一座工厂 

  早在6000多年前,居住在美索不达米亚地区的苏美尔人就已经知道用大麦芽酿制出原始的啤酒。但人类从真正认识细胞到现在才不过三四百年。1665年英国博物学家罗伯特·胡克第一次发现细胞。十几年后另一个经常被弄混的人—列文虎克观察到活的酵母。而直到19世纪,巴斯德才解开酒精酿造与酵母的关系。1846年,酵母在欧洲首次实现工业化生产。 

  至此人类对细胞的认识才上升到学说层次。细胞是一切多细胞生物的基本结构单位。对单细胞生物来说,一个细胞就是一个个体。如今单细胞生物正在生物能源领域掀起一场细胞工业革命 

  细胞工业,是指利用微生物代谢实现廉价生物质材料的工业转化过程,如利用稻草、玉米秸秆等生产生物燃料和其他高附加值产品。 

  传统的生物燃料生产工艺操作复杂、成本较高。新型的整合生物加工技术(CBP将酶的生产、纤维素的水解、五六碳糖共发酵等原本独立的反应步骤整合在同一个反应器(细胞)中进行,实现了纤维素燃料的一步化生产。新一代木质纤维素能源产业的核心任务就是打造CBP“智能工厂 

  热纤梭菌,最早从美国黄石国家公园的热泉(泉温高于45℃而又低于当地地表水的沸点的地下水露头)中分离得到。热纤梭菌具有高效降解木质纤维素的能力,但在自然状态下其燃料生产能力(即乙醇的生产能力)较差。想要用热纤梭菌批量高效生产乙醇,则需要对这座“热纤梭菌工厂”进行升级改造,改造过程会在后文详细介绍。 

    

  开采糖矿的巨无霸挖掘机:纤维小体 

  每年地球上通过植物光合作用合成的植物生物质有数千亿吨,其中非可食用的木质纤维素占到了总量的80%以上,这简直就是一座巨型糖矿。 

  为了更高效地开采糖矿,热纤梭菌打造了纤维素降解分子机器——纤维小体。通过一条支架蛋白(Cip)将不同功能的酶组装在一起,形成了一台“巨无霸挖掘机”。 

纤维小体的组装过程(图片来源:Hong et al.,2014 

  这么厉害的“挖掘机”一个梭菌工厂可以配备几台?答案是热纤梭菌可以将纤维小体铺满整个细胞壁! 

热纤梭菌及其纤维小体(图片来源:Hong et al.,2014 

  不像人类的工厂,工厂位置会受到各方面的限制,梭菌工厂可以在糖矿中自由穿梭,哪里有糖就把厂子开到哪里。 

  想象一下,一群梭菌正在液体培养基里潜水,当温度逐渐升至55℃,大部分的细胞恢复了活力,“工厂”开始运转。这时来自糖矿的一个信号突然出现,梭菌几乎同时捕获了它,并开始高效作业将木质纤维素降解。 

  这个信号分子就是纤维二糖,与多糖识别模块(CBM等)结合可促进释放胞内σ因子,启动相关纤维小体基因的表达。 

σ因子调控纤维小体基因表达(图片来源:Nataf et al.,2010 

  这个信号发令后,整个工厂都运转起来。不同细胞器分工合作,打造出一件件精巧的部件。根据不同糖矿的情况,梭菌工厂调整酶的种类、比例和空间位置,实现纤维小体-“糖矿的巨无霸挖掘机”的智能合成。  

  通过抛出像铁钩一样的碳水化合物结合模块(CBM),梭菌将自己牢牢地固定在纤维素表面。复杂的纤维小体高效运转起来,不同功能的酶相互协调。内切酶从纤维素链内部大段切割,外切酶从新生成的糖链末端切下一个个纤维二糖分子。 

  最后,寡糖转运蛋白满载一车车的纤维二糖,进入细胞工厂内部进行简单加工,由一把Bgl“小剪刀”将一分子纤维二糖切割为两分子葡萄糖。经过工厂各部门的运作,到此整个开采糖矿过程结束。 

    

  这座“工厂”是如何进行高效智能生产的? 

  经过加工后的葡萄糖作为原料进入代谢网络之后可以转化为多种代谢产物如乙醇、乙酸、乳酸。因为我们的目标是乙醇,所以需要切断乙酸和乳酸的生产线。 

  每条生产线上都有许多名工人(酶)在坚守岗位,辞退这些工人(基因敲除)可要花费不少力气。由于突然降低了末端的资源消耗,而葡萄糖仍在向下游转化,就造成了中间产物的积累。这不仅是一种资源浪费,同时也不利于细胞的生长代谢。 

热纤梭菌代谢途径(图片来源:Hong et al.,2014 

  为了解决这一问题,就要提高乙醇生产线的生产效率。提高工人(酶)的数量(上调基因表达水平)、改善饮食质量(还原力供给)、最重要的是涨工资即ATP(腺苷三磷酸,生物体内最直接的能量来源)的输入)!这样一来,整条生产线就能高效运转起来,乙醇的产量翻了几番。 

    

  “工厂”联合促进纤维素生物燃料转化 

  由于热纤梭菌在纤维素生物燃料生产阶段并不具有优势,科学家们萌生了联合工厂的主意,即利用热纤梭菌与其它菌种共同完成纤维素生物燃料的转化。 

  整改后的热纤梭菌的细胞工厂的主要任务由CBP(整合生物合成工艺)变为CBS(整合生物糖化工艺),专业降解木质纤维素产糖,整个流程都在胞外完成。 

  我们将上文中的Bgl小剪和外切酶一起组装到了纤维小体上,在外切酶切下纤维二糖的同时再来一刀,最终收获的就是一罐罐的葡萄糖了。 

  葡萄糖被转运至下一个工厂——裂殖壶菌,葡萄糖进入改造后的裂殖壶菌代谢网络,可以高效产出DHA(二十二碳六烯酸)。 

  DHA是一种多不饱和脂肪酸,维持着神经系统细胞的生长和代谢。婴儿食之有利于大脑和视网膜的发育,成年人服用有利于改善记忆。 

  然后,葡萄糖被转运至微拟球藻“工厂”,微藻因光合效率高、生长速率快、占地面积小、油脂含量高等优点,当之无愧地成为第三代生物柴油原料的首选。在开放塘中大规模培养微藻,微藻细胞内糖类物质经过一系列的代谢反应转化为油脂。利用短链醇和藻类油脂在催化剂、高温环境下进行酯交换反应,最终合成脂肪酸单脂,即生物柴油 

微拟球藻种子液(图片来源:颜飞拍摄于20180723 

  接着,葡萄糖被转运至下一个工厂——类酵母菌,可用来生产角鲨烯。角鲨烯是类固醇类物质的生物合成前体,具有较强的生物活性, 能够增强肌体组织对氧的利用能力,被广泛应用在医疗保健品和化妆品。 

  从名字就可以得知,这种物质最早从鲨鱼肝、卵中提炼得到。利用类酵母菌生产角鲨烯还可以起到保护野生动物的作用。 

  正如但丁所说“世界上没有垃圾只有放错地方的宝藏”,通过细胞工厂的运作,人类就可以真正实现变废为宝。 

  参考资料: 

  [1]Bayer E A, Belaich J P, Shoham Y, et al. The cellulosomes: multienzyme machines for degradation of plant cell wall polysaccharides[J]. Annual Review of Microbiology, 2003, 58(1):521-554.  

  [2]Demain A L, Newcomb M, Wu J H. Cellulase, Clostridia, and Ethanol[J]. Microbiology & Molecular Biology Reviews Mmbr, 2005, 69(1):124. 

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  [4]Klemm D, Heublein B, Fink H P, et al. Cellulose: fascinating biopolymer and sustainable aw material.[J]. Angewandte Chemie, 2005, 44(22):3358. 

  [5]Smith S P, Bayer E A, Czjzek M. Continually emerging mechanistic complexity of the multi-enzyme cellulosome complex[J]. Current Opinion in Structural Biology, 2017, 44:151-160. 

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