《自然-化学》:基因工程大肠杆菌可变葡萄糖为一种燃油成分

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国际知名期刊《自然-化学》展示了一项创造可再生能源的新进展:研究者利用经过基因工程改造的大肠杆菌,将葡萄糖转化为燃油的成分之一——烯烃。
“目前,市场上的燃油几乎全部来源于石油,然而过分依赖石油这种不可再生资源会引起环境恶化和温室效应。此项研究主要参与者、美国纽约州立大学布法罗分校助理教授王真接受澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者采访时表示,“而此项技术产生的燃油来源于葡萄糖,葡萄糖来源于植物光合作用固定的空气中的二氧化碳。因此,葡萄糖来源的燃油是可再生的。”
“这项研究可以运用于生物燃油的生产。另外,烯烃作为一种重要的化工原料,可以运用到工业润滑剂以及多种聚合体的合成。”王真表示。《自然-化学》:基因工程大肠杆菌可变葡萄糖为一种燃油成分-第1张图片-华润娱乐

装着大肠杆菌和营养物质的烧瓶  图源:美国纽约州立大学布法罗分校

相关论文于当地时间11月22日发表,标题为“A dual cellular–heterogeneous catalyst strategy for the production of olefins from glucose”。
将原材料转化为功能性精细化学品和大宗化学品的能力是现代社会进步的基础。随着传统化学生产的成熟,可扩展催化的新方法有可能产生新的化学结构,并降低对环境的影响。
生命系统通过进化提供了很有前途的化学合成方法,使人们能够在环境温度、压力和水性条件下通过单阶段发酵从源于植物的材料中生成分子。虽然人们发现自然界中葡萄糖可以转化为大量的小分子,不过,大量通过合成化学制成的小分子仍然难以仅从细胞中获得,比如烯烃。
烯烃是指含有碳碳双键的碳氢化合物,可用作燃料、润滑剂和聚合物前体。
此项工作中,研究人员将微生物发酵与多相催化相结合,从而用葡萄糖生产烯烃。
“我们将生物学最擅长的事物与化学最擅长的事物结合起来,然后将它们放在一起创建了这个两步法。”王真表示。
具体而言,研究人员首先将葡萄糖喂给不会对人类健康构成危险的大肠杆菌。这些大肠杆菌经过基因工程改造,会产生四种酶,可将葡萄糖转化为名为3-羟基脂肪酸的化合物。之后,再使用一种叫做五氧化二铌 (Nb2O5) 的催化剂在化学过程中切断脂肪酸中不需要的部分,从而生成最终产品烯烃。
在这个过程中,研究者通过反复试验确定酶和催化剂,测试了具有适合手头任务特性的不同分子。
“用葡萄糖等可再生资源制造生物燃料,这在推进绿色能源技术方面具有巨大潜力。”王真表示。
不过,这项新技术的好处,以及其能否在制造生物燃料等方面扩大运用还需要更多研究来了解。有待解决的一个重要问题是:生产烯烃的过程要消耗多少能量;如果能源成本太高,则需要优化该技术才能在工业规模上实用。
另外,目前葡萄糖到烯烃的总转化效率为理论值的8%。就是说,需要100个葡萄糖分子大约才能产生8个烯烃分子。要提高这个比例,重点是诱导大肠杆菌为消耗的葡萄糖产生更多的3-羟基脂肪酸。
“我们遇到的主要挑战在于不断提高将葡萄糖转化为燃油的转化效率。”王真表示,“我们首先需要找到多个能催化这一套化学反应的新型的蛋白质酶,然后利用工程菌株高效表达这些酶蛋白,接着提高工程菌株的工作效率,最后选择高效的金属催化剂将工程菌株产生的烯烃前体转化为烯烃。”
“未来产率还有很大的上升空间。”
王真表示,下一步的计划是进一步提高转化效率。此外,还希望在此方法的基础上进行一些修饰,从而生产可再生的其它重要化工原料,比如燃油的另一重要组成成分——烷烃类。
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标签: 美国 纽约 健康

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