國際知名期刊《自然-化學》展示了一項創(chuàng)造可再生能源的新進展：研究者利用經(jīng)過基因工程改造的大腸桿菌，將葡萄糖轉(zhuǎn)化為燃油的成分之一烯烴。
“目前，市場上的燃油幾乎全部來源于石油，然而過分依賴石油這種不可再生資源會引起環(huán)境惡化和溫室效應。此項研究主要參與者、美國紐約州立大學布法羅分校助理教授王真接受澎湃新聞（www.thepaper.cn）記者采訪時表示，“而此項技術(shù)產(chǎn)生的燃油來源于葡萄糖，葡萄糖來源于植物光合作用固定的空氣中的二氧化碳。因此，葡萄糖來源的燃油是可再生的。”
“這項研究可以運用于生物燃油的生產(chǎn)。另外，烯烴作為一種重要的化工原料，可以運用到工業(yè)潤滑劑以及多種聚合體的合成。”王真表示。
裝著大腸桿菌和營養(yǎng)物質(zhì)的燒瓶 圖源：美國紐約州立大學布法羅分校
相關(guān)論文于當?shù)貢r間11月22日發(fā)表，標題為“A dual cellularheterogeneous catalyst strategy for the production of olefins from glucose”。
將原材料轉(zhuǎn)化為功能性精細化學品和大宗化學品的能力是現(xiàn)代社會進步的基矗隨著傳統(tǒng)化學生產(chǎn)的成熟，可擴展催化的新方法有可能產(chǎn)生新的化學結(jié)構(gòu)，并降低對環(huán)境的影響。
生命系統(tǒng)通過進化提供了很有前途的化學合成方法，使人們能夠在環(huán)境溫度、壓力和水性條件下通過單階段發(fā)酵從源于植物的材料中生成分子。雖然人們發(fā)現(xiàn)自然界中葡萄糖可以轉(zhuǎn)化為大量的小分子，不過，大量通過合成化學制成的小分子仍然難以僅從細胞中獲得，比如烯烴。
烯烴是指含有碳碳雙鍵的碳氫化合物，可用作燃料、潤滑劑和聚合物前體。
此項工作中，研究人員將微生物發(fā)酵與多相催化相結(jié)合，從而用葡萄糖生產(chǎn)烯烴。
“我們將生物學最擅長的事物與化學最擅長的事物結(jié)合起來，然后將它們放在一起創(chuàng)建了這個兩步法。”王真表示。
具體而言，研究人員首先將葡萄糖喂給不會對人類健康構(gòu)成危險的大腸桿菌。這些大腸桿菌經(jīng)過基因工程改造，會產(chǎn)生四種酶，可將葡萄糖轉(zhuǎn)化為名為3-羥基脂肪酸的化合物。之后，再使用一種叫做五氧化二鈮 (Nb2O5) 的催化劑在化學過程中切斷脂肪酸中不需要的部分，從而生成最終產(chǎn)品烯烴。
在這個過程中，研究者通過反復試驗確定酶和催化劑，測試了具有適合手頭任務特性的不同分子。
“用葡萄糖等可再生資源制造生物燃料，這在推進綠色能源技術(shù)方面具有巨大潛力。”王真表示。
不過，這項新技術(shù)的好處，以及其能否在制造生物燃料等方面擴大運用還需要更多研究來了解。有待解決的一個重要問題是：生產(chǎn)烯烴的過程要消耗多少能量；如果能源成本太高，則需要優(yōu)化該技術(shù)才能在工業(yè)規(guī)模上實用。
另外，目前葡萄糖到烯烴的總轉(zhuǎn)化效率為理論值的8%。就是說，需要100個葡萄糖分子大約才能產(chǎn)生8個烯烴分子。要提高這個比例，重點是誘導大腸桿菌為消耗的葡萄糖產(chǎn)生更多的3-羥基脂肪酸。
“我們遇到的主要挑戰(zhàn)在于不斷提高將葡萄糖轉(zhuǎn)化為燃油的轉(zhuǎn)化效率。”王真表示，“我們首先需要找到多個能催化這一套化學反應的新型的蛋白質(zhì)酶，然后利用工程菌株高效表達這些酶蛋白，接著提高工程菌株的工作效率，最后選擇高效的金屬催化劑將工程菌株產(chǎn)生的烯烴前體轉(zhuǎn)化為烯烴。”
“未來產(chǎn)率還有很大的上升空間。”
王真表示，下一步的計劃是進一步提高轉(zhuǎn)化效率。此外，還希望在此方法的基礎(chǔ)上進行一些修飾，從而生產(chǎn)可再生的其它重要化工原料，比如燃油的另一重要組成成分烷烴類。
