吃的是糖,产的是油微生物生产汽油的新进展 近几十年来,由远古化石所诞生的石油来已经成为了人类能量的主要来源。石油的 衍生产品,包括了汽油,柴油等,提供了工业引擎的主要动力。然而,石油资源是一种 不可再生的资源。由此引发的能源危机,以及石油开采和炼制中造成的环境污染,是笼 罩现代工业上的巨大阴影。因此,寻找一种可替代的燃料来源一直是科学家们关注的焦 最近由韩国科学技术院(KAST)特聘教授 Sang Yup Lee领导的一项研究,可能 会对这个问题的解决提供一个新颖的思路。该团队利用代谢工程对于大肠杆菌进行改造, 使这种生活在我们肠道中的微生物能够生产汽油。该项研究发表在2013年9月29日 的 Nature杂志上,文章的标题是“微生物生产短链烷烃( Microbial production of Short- chain alkanes)”(图1)。 Fatty acyl-ACP tesA(L109P) Free fatty acl Fatty acy-CoA S-CoA 人 人 rcAcHTesA 号 decarbonylate Shor-chen alkan 图1.大肠杆菌生产汽油的途径(吃的是葡萄糖,产的是石油) 近年来,利用生物来生产燃料越来越受到科学家们的青睐。包括美国在内的不少发 达国家,已经把优先发展生物能源作为了基本的能源方针。在生物燃料中,碳氢化合物 (烃)特别受到关注。这其中有两方面的原因:第一,烃是汽油和柴油的主要成分,其 中汽油主要是由4-12个碳原子组成的短链烃,柴油是由13-17个碳原子组成的长链烃 因此烃类生物燃料可以很方便替代这两种目前最常用的燃料;第二,烃类物质比其他的 生物燃料含有更多的热能,例如烃类物质的热能比另一种最常见的生物燃料-乙醇的热
吃的是糖，产的是油-微生物生产汽油的新进展 近几十年来，由远古化石所诞生的石油来已经成为了人类能量的主要来源。石油的 衍生产品，包括了汽油，柴油等，提供了工业引擎的主要动力。然而，石油资源是一种 不可再生的资源。由此引发的能源危机，以及石油开采和炼制中造成的环境污染，是笼 罩现代工业上的巨大阴影。因此，寻找一种可替代的燃料来源一直是科学家们关注的焦 点。 最近由韩国科学技术院（KAIST）特聘教授 Sang Yup Lee 领导的一项研究，可能 会对这个问题的解决提供一个新颖的思路。该团队利用代谢工程对于大肠杆菌进行改造， 使这种生活在我们肠道中的微生物能够生产汽油。该项研究发表在 2013 年 9 月 29 日 的 Nature 杂志上，文章的标题是“微生物生产短链烷烃(Microbial Production of Short-chain Alkanes)”（图 1）。 图 1. 大肠杆菌生产汽油的途径（吃的是葡萄糖，产的是石油） 近年来，利用生物来生产燃料越来越受到科学家们的青睐。包括美国在内的不少发 达国家，已经把优先发展生物能源作为了基本的能源方针。在生物燃料中，碳氢化合物 （烃）特别受到关注。这其中有两方面的原因：第一，烃是汽油和柴油的主要成分，其 中汽油主要是由 4-12 个碳原子组成的短链烃，柴油是由 13-17 个碳原子组成的长链烃， 因此烃类生物燃料可以很方便替代这两种目前最常用的燃料；第二，烃类物质比其他的 生物燃料含有更多的热能，例如烃类物质的热能比另一种最常见的生物燃料-乙醇的热
能高30%。 微生物是一种易于操作,成本低廉,适合工业化生产的生物。不过天然的微生物生 产很少的烃类物质。为了让微生物产油,就需要利用代谢工程对它们进行改造。在韩国 科学家之前,已经有一个研究团队报道了可以利用微生物来合成由13-17个碳原子组成 的长链烃,用以代替柴油。这类“微生物柴油"的产量可以达到300mg/培养液。科学家 们采用的策略是,利用代谢工程将来源于蓝藻的烷烃合成途径移植到大肠杆菌中。在另 一项硏究中,科学家通过在大肠杆菌中过量表达枯草芽孢杆菌的fabH基因,也能够让 大肠杄菌生产长链烃。在上述的研究中,核心的反应机制都是通过脂肪醛的脱碳反应将 其转化为烃,通俗而言,就是把长链的脂肪酸,剪短一些变为柴油。 由于微生物中的脂肪酸都很长,一般含有14-18个碳原子,经过脱碳反应后,长度 缩减的程度有限,因此只能生产柴油,而不能生产长度更短的汽油。这一次,韩国科学 家采用了一种新的策略,他们决定从缩短脂肪酸的长度入手,来解决这个问题。科学家 们改造了大肠杆菌的脂肪合成途径和降解途径,包括引入了来源起于他细菌的还原酶, 和来源于植物的脱碳酶等。经过代谢工程改造,大肠杄菌可以利用葡萄糖生产出较短的 脂肪酸,然后再将其转化为短链烃,其产量达到了每升培养液生产580毫克汽油 该项研究的领导者,KAST的杰出教授 Sang Yup Lee(图2)说:“这还只是实现 可持续生产汽油的开端,由于形成短链脂肪酸的代谢流不足,使得目前(生物汽油)的 产量较低。我们目前正在尝试提高效率,以及提高生物汽油的产量。尽管如此,我们也 很高兴报道第一次发现通过代谢工程的大肠杆菌,能生产汽油,我们希望这能作为一个 基础,用于生产可再生资源的燃料和化学品。” 因此,不要小看微生物,它们吃的是糖,产的是油。也许在不久的将来,你家汽车 用的就是微生物汽油哦。 图2. Sang Yup Lee教授(左)和韩国科学技术院(KAST)(右)
能高 30%。 微生物是一种易于操作，成本低廉，适合工业化生产的生物。不过天然的微生物生 产很少的烃类物质。为了让微生物产油，就需要利用代谢工程对它们进行改造。在韩国 科学家之前，已经有一个研究团队报道了可以利用微生物来合成由 13-17 个碳原子组成 的长链烃，用以代替柴油。这类“微生物柴油”的产量可以达到 300mg/l 培养液。科学家 们采用的策略是，利用代谢工程将来源于蓝藻的烷烃合成途径移植到大肠杆菌中。在另 一项研究中，科学家通过在大肠杆菌中过量表达枯草芽孢杆菌的 fabH 基因，也能够让 大肠杆菌生产长链烃。在上述的研究中，核心的反应机制都是通过脂肪醛的脱碳反应将 其转化为烃，通俗而言，就是把长链的脂肪酸，剪短一些变为柴油。 由于微生物中的脂肪酸都很长，一般含有 14-18 个碳原子，经过脱碳反应后，长度 缩减的程度有限，因此只能生产柴油，而不能生产长度更短的汽油。这一次，韩国科学 家采用了一种新的策略，他们决定从缩短脂肪酸的长度入手，来解决这个问题。科学家 们改造了大肠杆菌的脂肪合成途径和降解途径，包括引入了来源起于他细菌的还原酶， 和来源于植物的脱碳酶等。经过代谢工程改造，大肠杆菌可以利用葡萄糖生产出较短的 脂肪酸，然后再将其转化为短链烃，其产量达到了每升培养液生产 580 毫克汽油。 该项研究的领导者，KAIST 的杰出教授 Sang Yup Lee（图 2）说：“这还只是实现 可持续生产汽油的开端，由于形成短链脂肪酸的代谢流不足，使得目前（生物汽油）的 产量较低。我们目前正在尝试提高效率，以及提高生物汽油的产量。尽管如此，我们也 很高兴报道第一次发现通过代谢工程的大肠杆菌，能生产汽油，我们希望这能作为一个 基础，用于生产可再生资源的燃料和化学品。” 因此，不要小看微生物，它们吃的是糖，产的是油。也许在不久的将来，你家汽车 用的就是微生物汽油哦。 图 2. Sang Yup Lee 教授（左）和韩国科学技术院（KAIST）（右）