转基因酵母高效利用废弃植物制造生物燃料

玉米秸秆

在一篇新的论文中,研究人员提出了一种从木质植物材料如玉米渣和一些草中更有效地生产生物燃料的方法。信贷:马库斯Distelrath / Pixabay

新系统通过帮助酵母抵抗工业毒素,简化了植物糖发酵为燃料的过程。

美国种植的玉米比其他任何作物都多,但我们只使用玉米的一小部分作为食物和燃料生产;一旦人们收获了谷粒,就会剩下不能吃的叶子、茎和穗轴。如果这种被称为玉米秸秆的植物物质能够像玉米粒那样有效地发酵成乙醇,那么秸秆就可以成为大规模的、可再生的燃料来源。

Whitehead研究所成员、麻省理工学院(MIT)生物学教授Gerald Fink说:“木炭的产量与石油相当。”yabo124“但要廉价地利用它们来制造生物燃料和其他重要化学品,还面临着巨大的技术挑战。”

因此,年复一年,大部分木质玉米被留在地里腐烂。

现在,芬克和麻省理工学院化学工程教授Gregory Stephanopolous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资源的方法,该研究由麻省理工学院博士后研究员Felix Lam领导。通过改变常见酵母模型,面包酵母周围的生长培养基条件酿酒酵母他们利用酵母从木质玉米原料中制造乙醇和塑料,其效率几乎与玉米粒等典型乙醇来源相同。

外表华丽的问题

多年来,生物燃料行业一直依赖微生物,如酵母,将玉米粒中的糖、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的物质也充满了糖,以一种叫做纤维素的分子的形式存在。虽然这些糖也可以转化为生物燃料,但由于植物紧紧地抓住它们,将纤维素分子链在一起,并将它们包裹在称为木质素的纤维分子中,这就更加困难了。分解这些坚硬的外壳和分解糖链会产生一种化学混合物,传统的发酵微生物很难消化这种混合物。

Gerald Fink在芒草地里

Whitehead研究所成员Gerald Fink站在一片巨大芒草(Miscanthus giganteus)的田野前,这是另一种可以转化为乙醇的纤维素的潜在来源。资料来源:照片由Felix Lam提供

为了帮助这些生物,乙醇生产厂的工人们用酸性溶液对高纤维素物质进行预处理,以分解这些复杂的分子,这样酵母就可以发酵它们。然而,这种治疗的一个副作用是产生醛类分子,这种分子对酵母有毒。研究人员在过去已经探索了不同的方法来降低醛类的毒性,但考虑到整个过程需要几乎零成本,解决方案是有限的。Lam说:“这是为了制造乙醇,也就是我们用来燃烧的东西。”“必须非常便宜。”

面对这个经济和科学问题,工业已经减少了用富含纤维素的材料制造乙醇。“这些毒素是低成本生产生物燃料的最大限制之一。麻省理工学院威拉德·亨利·道化学工程教授Gregory Stephanopoulos说。

借酵母之手助一臂之力

为了解决这种毒素问题,研究人员决定将重点放在添加酸来分解坚硬分子时产生的醛上。“我们不知道醛类攻击微生物的确切机制,所以问题是,如果我们真的不知道它攻击什么,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醇类。”

该团队开始寻找专门将醛转化为醇的基因,并找到了一种名为GRE2的基因。他们通过一种被称为定向进化的过程优化了基因,使其更高效,然后将其引入通常用于乙醇发酵的酵母中,酿酒酵母.当进化出GRE2基因的酵母细胞遇到醛类时,它们能够通过附加额外的氢原子将醛类转化为醇类。

由此产生的高浓度乙醇和其他从纤维素中产生的酒精可能在过去造成了一个问题,但在这一点上,Lam过去的研究发挥了作用。在Lam、Stephanopoulos和Fink 2015年发表的一篇论文中,研究人员开发了一种让酵母对多种酒精更耐受的系统,以便用较少的酵母产生更多的燃料。该系统包括测量和调整酵母生长介质中的pH值和钾水平,从而在化学上稳定细胞膜。

通过将这种方法与他们新改良的酵母结合,“我们基本上把醛的问题引向了酒精的问题,这是我们以前研究过的,”Lam说。“我们对醛类物质进行了改造和解毒,使其变成我们知道如何处理的形式。”

当他们测试这个系统时,研究人员能够有效地从玉米秸秆、芒草和其他类型的植物物质中制造乙醇,甚至塑料前体。芬克说:“利用我们的系统,我们能够生产每单位原料的大量乙醇。”“这表明,当用富含纤维素的植物材料制造燃料时,这是一种极具成本效益的解决化学和经济问题的方法。”

扩大

替代燃料在全国范围内实施时经常面临挑战;例如,电动汽车需要一个全国性的充电基础设施,以成为一种可行的替代汽油汽车。

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汽车兼容,因此几乎不需要改变汽车车队或消费者的加油习惯。他说:“现在美国每年生产大约150亿加仑乙醇,所以这是大规模的。”“这意味着需要数十亿美元和数十年的基础设施建设。如果你能利用这一点,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,如麦秸和芒,也被称为银草,可以非常便宜地种植。“目前,这个国家的主要纤维素来源是玉米秸秆,”Lam说。“但如果因为现在可以以可持续的方式生产所有这些石油基化学品而对纤维素有需求,那么希望农民开始种植芒草,以及所有这些超密的吸管。”

在未来,研究人员希望研究利用这些抗毒素基因修饰酵母,从而创造出多种生物燃料的潜力,例如可以用于典型燃油燃烧引擎的柴油。他说:“如果我们能把这个系统用于其他类型的燃料,我认为这将大大有助于解决船舶和重型机械等行业的污染问题,因为这些行业没有其他电力或非排放解决方案。”

2021年6月25日,科学的进步

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