升級的微生物「軍團」：除雜草、煉酒精

出品：科普中國

製作：中國科學院水生生物研究所 戴景程 邱東茹

監製：中國科學院計算機網路信息中心

隨著社會經濟的發展，人們對能源的需求日益增加。人類目前使用的化石能源是一種不可再生資源，地球存貯的化石能源有限。而且化石能源產生的溫室氣體二氧化碳的排放和甲烷泄露，可造成全球變暖。生物能源是「碳中性」（所謂「碳中性」，是指能源在生產及使用過程中達到二氧化碳排放平衡。）的可再生能源，植物通過光合作用，利用太陽能、吸收二氧化碳合成自身所需要的有機物質。在地球上，那些生長迅速、易於存活的多年生草本科植物（含有大量的木質纖維素），則是最佳的生物能源材料，而如何有效的利用生物能源，已經成為科學家面臨的蘊含著機遇的挑戰。

傳統的工藝可以將這些含有大量木質纖維素的非糧食作物加工為酒精，必須經過三步（如圖1）：

1、使用物理化學方法對其進行前處理。

2、通過酶處理進行水解生成可發酵的單糖或寡糖。

3、發酵生產酒精。

後來為了降低成本，減少繁瑣的處理步驟，科學家們研製出第一代整合生物加工工藝CBP技術（如圖1），將酶處理和發酵進行整合，利用單一微生物或混合菌群對木質纖維素進行降解後發酵。為了提高效率，節約成本，美國喬治亞大學研製出第二代整合生物加工工藝CBP技術，這項技術直接省去了前處理步驟，經過對一株降解木質纖維素的細菌進行遺傳改造，不僅能夠把生物質纖維素轉化成糖，還能把糖轉化成燃料酒精。

該研究人員發現雖然熱纖梭菌(Clostridiumthermocellum)作為一代CBP技術的元老，但是卻不能降解半纖維素，而且也不能對其進行改造提高燃料酒精的產量。

而另外一株極端嗜熱纖維素降解厭氧菌（Caldicellulosiruptorbescii)是一株極端耐熱的纖維素降解菌，最適溫度在80℃左右，可以直接降解含有纖維素、半纖維素、木質纖維素的植物生物質，繞過了昂貴的物理、化學前處理，但是不能大量生產燃料酒精。

於是科學家們就想把兩株菌株進行改造和整合，利用極端嗜熱纖維素降解厭氧菌(C.bescii)的耐高溫的纖維素降解能力和熱纖梭菌(C.thermocellum)發酵生產燃料酒精的能力，進行了遺傳整合和改造。

兩種菌株就像是兩家「企業」，為了獲取更大的利潤，每家企業拿出自己的核心技術，進行強強聯合，取長補短，從而獲取更大的利益鏈條。

在極端嗜熱纖維素降解厭氧菌(C.bescii)中（A企業），整個家族企業的基礎比較雄厚，C.bescii中含有很多即耐高溫而又高效的纖維素酶、半纖維素酶、木質素酶，他們能夠在高溫環境中將富含高纖維素植物的纖維素、半纖維素、木質素降解為多糖和單糖，從而積累了更多的原材料。但是由於C.bescii最終只能生產乳酸而無法獲得酒精。因此科學家們想對其進行遺傳改造，阻斷乳酸的生產途徑，而添加一條生產酒精的途徑。

在另一株熱纖梭菌(C.thermocellum)中（B企業），它具有生產酒精的能力，因此可以將該菌中生產酒精的途徑轉移到C.bescii中。

為了獲得可以直接將木質纖維素轉化成酒精的遺傳改造菌株，因此科學家們對細菌做了一個「小手術」，方案設計如下（如圖）：

1.將極端嗜熱纖維素降解厭氧菌(C.bescii)中（A企業）生產乳酸的途徑阻斷（敲除乳酸脫氫酶基因ldh），讓大量的原材料和能量用於其他途徑或者目的產品（酒精）的生產。

2.為了讓極端嗜熱纖維素降解厭氧菌(C.bescii)（A企業）獲得生成酒精的能力，因此將熱纖梭菌(C.thermocellum)中（B企業）合成酒精的途徑轉移到C.bescii中（A企業）（即將C.thermocellum菌的乙醛脫氫酶/乙醇脫氫酶基因adhE放到C.bescii菌中大量表達，行使生產酒精的能力），從而完成對C.bescii菌株的遺傳改造，使C.bescii菌株獲得了本身沒有的能力---生產酒精。

如上所述，科學家們試圖改造極端嗜熱纖維素降解厭氧菌C.bescii，把糖發酵生產酒精的能力加入到這種能夠把木質纖維素轉換成糖的細菌中。因此這種經過遺傳改造的C.bescii菌株可以直接通過執行從植物生物質原料開始的乙醇生產全階段，可能有助於繞過昂貴的化學和酶生物質預處理。

這個技術突破為纖維素乙醇的產業化帶來一線曙光，但依然面臨許多挑戰，如最終兩家「企業」的整合是否會成功上市，會不會出現「消化不良」的問題，因為菌株經過遺傳改造，必然要經歷一段時間的動蕩，只有相互磨合和適應才能將性狀穩定下來。其次產率是否能達到預計結果，會不會增加額外的成本，等等？讓我們拭目以待。

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