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现实版"事情细胞" 稻草、玉米秸秆是如何酿成生物燃料的?

更新时间  2021-11-10 22:45 阅读
本文摘要:出品:科普中国制作:颜飞(中国科学院青岛生物能源与历程研究所) 监制:中国科学院盘算机网络信息中心"中国制造2025"遇上德国"工业4.0",配合掀起智能化工业革命的浪潮。人类在大世界干得热火朝天,与此同时微观世界的细胞工业智能化时代也已具雏形。一个细胞就是一座工厂早在6000多年前,居住在地域的苏美尔人就已经知道用大麦芽酿制出原始的啤酒。 但人类从真正认识细胞到现在才不外三四百年。1665年英国博物学家罗伯特·胡克第一次发现细胞。

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出品:科普中国制作:颜飞(中国科学院青岛生物能源与历程研究所) 监制:中国科学院盘算机网络信息中心"中国制造2025"遇上德国"工业4.0",配合掀起智能化工业革命的浪潮。人类在大世界干得热火朝天,与此同时微观世界的细胞工业智能化时代也已具雏形。一个细胞就是一座工厂早在6000多年前,居住在地域的苏美尔人就已经知道用大麦芽酿制出原始的啤酒。

但人类从真正认识细胞到现在才不外三四百年。1665年英国博物学家罗伯特·胡克第一次发现细胞。十几年后另一个经常被弄混的人—列文虎克视察到活的酵母。而直到19世纪,巴斯德才解开酒精酿造与酵母的关系。

1846年,酵母在欧洲首次实现工业化生产。至此人类对细胞的认识才上升到学说条理。细胞是一切多细胞生物的基本结构单元。

对单细胞生物来说,一个细胞就是一个个体。如今正在生物能源领域掀起一场细胞工业革命。细胞工业,是指使用微生物代谢实现廉价生物质质料的工业转化历程,如使用稻草、玉米秸秆等生发生物燃料和其他高附加值产物。

传统的生物燃料生产工艺操作庞大、成本较高。新型的整合生物加工技术(CBP)将酶的生产、纤维素的水解、五六碳糖共发酵等原本独立的反映步骤整合在同一个反映器(细胞)中举行,实现了纤维素燃料的一步化生产。

新一代木质纤维素能源工业的焦点任务就是打造CBP"智能工厂"。热纤梭菌,最早从美国黄石国家公园的热泉(泉温高于45℃而又低于当地地表水的沸点的地下水露头)中分散获得。热纤梭菌具有高效降解木质纤维素的能力,但在自然状态下其燃料生产能力(即乙醇的生产能力)较差。

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想要用热纤梭菌批量高效生产乙醇,则需要对这座"热纤梭菌工厂"举行升级革新,革新历程会在后文详细先容。开采糖矿的巨无霸挖掘机:纤维小体每年地球上通过植物光互助用合成的植物生物质有数千亿吨,其中非可食用的木质纤维素占到了总量的80%以上,这简直就是一座巨型糖矿。为了更高效地开采糖矿,热纤梭菌打造了纤维素降解分子机械——纤维小体。

通过一条支架卵白(Cip)将差别功效的酶组装在一起,形成了一台"巨无霸挖掘机"。纤维小体的组装历程(图片泉源:Hong et al.,2014)这么厉害的"挖掘机"一个梭菌工厂可以配备几台?谜底是热纤梭菌可以将纤维小体铺满整个细胞壁!热纤梭菌及其纤维小体(图片泉源:Hong et al.,2014)不像人类的工厂,工厂位置会受到各方面的限制,梭菌工厂可以在糖矿中自由穿梭,那里有糖就把厂子开到那里。想象一下,一群梭菌正在液体造就基里潜水,当温度逐渐升至55℃,大部门的细胞恢复了活力,"工厂"开始运转。

这时来自糖矿的一个信号突然泛起,梭菌险些同时捕捉了它,并开始高效作业将木质纤维素降解。这个信号分子就是纤维二糖,与多糖识别模块(CBM等)联合可促进释放胞内σ因子,启动相关纤维小体基因的表达。σ因子调控纤维小体基因表达(图片泉源:Nataf et al.,2010)这个信号发令后,整个工厂都运转起来。差别细胞器分工互助,打造出一件件精巧的部件。

凭据差别糖矿的情况,梭菌工厂调整酶的种类、比例和空间位置,实现纤维小体-"糖矿的巨无霸挖掘机"的智能合成。通过抛出像铁钩一样的碳水化合物联合模块(CBM),梭菌将自己牢牢地牢固在纤维素外貌。庞大的纤维小体高效运转起来,差别功效的酶相互协调。

内切酶从纤维素链内部大段切割,外切酶重新生成的糖链末了切下一个个纤维二糖分子。最后,寡糖转运卵白满载一车车的纤维二糖,进入细胞工厂内部举行简朴加工,由一把Bgl"小铰剪"将一分子纤维二糖切割为两分子葡萄糖。经由工厂各部门的运作,到此整个开采糖矿历程竣事。

这座"工厂"是如何举行高效智能生产的?经由加工后的葡萄糖作为原料进入代谢网络之后可以转化为多种代谢产物如乙醇、乙酸、乳酸。因为我们的目的是乙醇,所以需要切断乙酸和乳酸的生产线。

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每条生产线上都有许多名工人(酶)在坚守岗位,辞退这些工人(基因敲除)可要花费不少力气。由于突然降低了末了的资源消耗,而葡萄糖仍在向下游转化,就造成了中间产物的积累。这不仅是一种资源浪费,同时也倒霉于细胞的生长代谢。

热纤梭菌代谢途径(图片泉源:Hong et al.,2014)为相识决这一问题,就要提高乙醇生产线的生产效率。提高工人(酶)的数量(上调基因表达水平)、改善饮食质量(还原力供应)、最重要的是涨人为即ATP(腺苷三磷酸,生物体内最直接的能量泉源)的输入)!这样一来,整条生产线就能高效运转起来,乙醇的产量翻了几番。"工厂"团结促进纤维素生物燃料转化由于热纤梭菌在纤维素生物燃料生产阶段并不具有优势,科学家们萌生了团结工厂的主意,即使用热纤梭菌与其它菌种配合完成纤维素生物燃料的转化。

整改后的热纤梭菌的细胞工厂的主要任务由CBP(整合生物合成工艺)变为CBS(整合生物糖化工艺),专业降解木质纤维素产糖,整个流程都在胞外完成。我们将上文中的Bgl小剪和外切酶一起组装到了纤维小体上,在外切酶切下纤维二糖的同时再来一刀,最终收获的就是一罐罐的葡萄糖了。

葡萄糖被转运至下一个工厂——裂殖壶菌,葡萄糖进入革新后的裂殖壶菌代谢网络,可以高效产出DHA(二十二碳六烯酸)。DHA是一种多不饱和脂肪酸,维持着神经系统细胞的生长和代谢。婴儿食之有利于大脑和视网膜的发育,成年人服用有利于改善影象。

然后,葡萄糖被转运至微拟球藻"工厂",微藻因光合效率高、生长速率快、占地面积小、油脂含量高等优点,当之无愧地成为第三代生物柴油原料的首选。在开放塘中大规模造就微藻,微藻细胞内糖类物质经由一系列的代谢反映转化为油脂。使用短链醇和藻类油脂在催化剂、高温情况下举行酯交流反映,最终合成脂肪酸单脂,即生物柴油。

微拟球藻种子液(图片泉源:颜飞拍摄于20180723)接着,葡萄糖被转运至下一个工厂——类酵母菌,可用来生产角鲨烯。角鲨烯是类固醇类物质的生物合成前体,具有较强的生物活性, 能够增强肌体组织对氧的使用能力,被广泛应用在医疗保健品和化妆品。

从名字就可以得知,这种物质最早从鲨鱼肝、卵中提炼获得。使用类酵母菌生产角鲨烯还可以起到掩护野生动物的作用。正如但丁所说"世界上没有垃圾只有放错地方的宝藏",通过细胞工厂的运作,人类就可以真正实现变废为宝。参考资料:[1]Bayer E A, Belaich J P, Shoham Y, et al. The cellulosomes: multienzyme machines for degradation of plant cell wall polysaccharides[J]. Annual Review of Microbiology, 2003, 58(1):521-554.[2]Demain A L, Newcomb M, Wu J H. Cellulase, Clostridia, and Ethanol[J]. Microbiology & Molecular Biology Reviews Mmbr, 2005, 69(1):124.[3] Doi R H, Kosugi A. Cellulosomes: plant-cell-wall-degrading enzyme complexes[J]. Nature Reviews Microbiology, 2004, 2(7):541-51.[4]Klemm D, Heublein B, Fink H P, et al. Cellulose: fascinating biopolymer and sustainable aw material.[J]. Angewandte Chemie, 2005, 44(22):3358.[5]Smith S P, Bayer E A, Czjzek M. Continually emerging mechanistic complexity of the multi-enzyme cellulosome complex[J]. Current Opinion in Structural Biology, 2017, 44:151-160.[6]Umesh K H. Bio-Ethanol: Renewable Alternative Fuel[J]. 2017.[7]Zheng Y, Lin H, Tsao G T. Pretreatment for cellulose hydrolysis by carbon dioxide explosion[J]. Biotechnology Progress, 1998, 14(6):890.。


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