《自然-化學》:基因工程大腸杆菌可變葡萄糖為一種燃油成分

2021年11月23日20:35

原標題:《自然-化學》:基因工程大腸杆菌可變葡萄糖為一種燃油成分

國際知名期刊《自然-化學》展示了一項創造可再生能源的新進展:研究者利用經過基因工程改造的大腸杆菌,將葡萄糖轉化為燃油的成分之一——烯烴。

“目前,市場上的燃油幾乎全部來源於石油,然而過分依賴石油這種不可再生資源會引起環境惡化和溫室效應。此項研究主要參與者、美國紐約州立大學布法羅分校助理教授王真接受澎湃新聞(www.thepaper.cn)記者採訪時表示,“而此項技術產生的燃油來源於葡萄糖,葡萄糖來源於植物光合作用固定的空氣中的二氧化碳。因此,葡萄糖來源的燃油是可再生的。”

“這項研究可以運用於生物燃油的生產。另外,烯烴作為一種重要的化工原料,可以運用到工業潤滑劑以及多種聚合體的合成。”王真表示。

裝著大腸杆菌和營養物質的燒瓶  圖源:美國紐約州立大學布法羅分校
裝著大腸杆菌和營養物質的燒瓶 圖源:美國紐約州立大學布法羅分校

相關論文於當地時間11月22日發表,標題為“A dual cellular–heterogeneous catalyst strategy for the production of olefins from glucose”。

將原材料轉化為功能性精細化學品和大宗化學品的能力是現代社會進步的基礎。隨著傳統化學生產的成熟,可擴展催化的新方法有可能產生新的化學結構,並降低對環境的影響。

生命系統通過進化提供了很有前途的化學合成方法,使人們能夠在環境溫度、壓力和水性條件下通過單階段發酵從源於植物的材料中生成分子。雖然人們發現自然界中葡萄糖可以轉化為大量的小分子,不過,大量通過合成化學製成的小分子仍然難以僅從細胞中獲得,比如烯烴。

烯烴是指含有碳碳雙鍵的碳氫化合物,可用作燃料、潤滑劑和聚合物前體。

此項工作中,研究人員將微生物發酵與多相催化相結合,從而用葡萄糖生產烯烴。

“我們將生物學最擅長的事物與化學最擅長的事物結合起來,然後將它們放在一起創建了這個兩步法。”王真表示。

具體而言,研究人員首先將葡萄糖喂給不會對人類健康構成危險的大腸杆菌。這些大腸杆菌經過基因工程改造,會產生四種酶,可將葡萄糖轉化為名為3-羥基脂肪酸的化合物。之後,再使用一種叫做五氧化二铌 (Nb2O5) 的催化劑在化學過程中切斷脂肪酸中不需要的部分,從而生成最終產品烯烴。

在這個過程中,研究者通過反複試驗確定酶和催化劑,測試了具有適合手頭任務特性的不同分子。

“用葡萄糖等可再生資源製造生物燃料,這在推進綠色能源技術方面具有巨大潛力。”王真表示。

不過,這項新技術的好處,以及其能否在製造生物燃料等方面擴大運用還需要更多研究來瞭解。有待解決的一個重要問題是:生產烯烴的過程要消耗多少能量;如果能源成本太高,則需要優化該技術才能在工業規模上實用。

另外,目前葡萄糖到烯烴的總轉化效率為理論值的8%。就是說,需要100個葡萄糖分子大約才能產生8個烯烴分子。要提高這個比例,重點是誘導大腸杆菌為消耗的葡萄糖產生更多的3-羥基脂肪酸。

“我們遇到的主要挑戰在於不斷提高將葡萄糖轉化為燃油的轉化效率。”王真表示,“我們首先需要找到多個能催化這一套化學反應的新型的蛋白質酶,然後利用工程菌株高效表達這些酶蛋白,接著提高工程菌株的工作效率,最後選擇高效的金屬催化劑將工程菌株產生的烯烴前體轉化為烯烴。”

“未來產率還有很大的上升空間。”

王真表示,下一步的計劃是進一步提高轉化效率。此外,還希望在此方法的基礎上進行一些修飾,從而生產可再生的其它重要化工原料,比如燃油的另一重要組成成分——烷烴類。

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