工程化大肠杆菌生产高辛烷值生物燃料的关键前体

通过改变在这类细菌中产生脂肪酸的代谢途径，怀斯研究所的研究人员设计了一种生产类似汽油的生物燃料的新方法。

威斯研究所（Wyss Institute）科学家的一项新研究详细介绍了工程菌，它们可以成为高辛烷值生物燃料的重要前体。

哈佛大学Wyss生物启发工程研究所和哈佛医学院系统生物学系的科学家于6月24日发表报告说，新的工程菌可以定制高辛烷值生物燃料的关键前体，有可能一天取代汽油。在线版的《美国国家科学院院刊》。

同一生产线还可以生产药物，生物塑料，除草剂，清洁剂等的前体。

“最大的贡献是，我们能够对细胞进行编程，以制造出特定的燃料前体，” Wyss研究所核心教授，哈佛医学院系统生物学教授，该研究的资深作者帕梅拉·西尔弗（Pamela Silver）博士说。 。

汽车和其他车辆需要新的生物燃料。乙醇是市场上最受欢迎的生物燃料，其能量仅占汽油的三分之二，而含乙醇的燃料也会腐蚀用于运输和存储汽油的管道，储罐和其他基础设施。同时，燃烧汽油本身会向大气中添加大量二氧化碳，并依赖于世界石油供应的减少。

然而，在内燃机中燃烧时，汽油比当前的生物燃料产生更多的能量，并且在从德克萨斯州的热浪到北达科他州的寒潮之间的温度下仍保持液态。此外，全世界有数亿辆汽车在其上行驶。

Silver和她的团队正在寻找新的方法来制造类似汽油的生物燃料，这些生物燃料可以存储在加油站中并用于为我们已经拥有的汽车提供燃料。为了开发这些化合物，他们邀请了标志性的实验室细菌大肠埃希氏菌（E.coli）帮助制造称为脂肪酸的汽油前体。脂肪酸是一种充满能量的分子，其中含有侧接氢原子的碳原子链，这些氢原子可以轻松转化为燃料。

具体来说，他们专注于中链脂肪酸-链长在4到12个碳之间的脂肪酸。链较短的脂肪酸不能储存足够的能量来成为良好的燃料，并且容易蒸发，而链长度超过12个碳的脂肪酸则过于蜡质。但是中等长度的脂肪酸恰恰是正确的长度，可以转化为用于内燃机的充满能量的液体燃料。

如今，炼油厂使用原油生产中链长度的化合物。但是，“您可以让微生物或其他活有机体代替您使用石油产品，而无需使用石油产品，”西尔弗说。

为此，Silver实验室的哈佛大学医学院系统生物学研究生乔·托雷拉（Joe Torella）博士和泰勒·福特（Tyler Ford）以及该论文的主要合著者调整了产生脂肪酸的大肠杆菌代谢途径。具体来说，他们大量生产了一种八碳脂肪酸，称为辛酸酯，可以将其转化为辛烷。

在这种途径中，细菌吃掉的糖中的碳像河流一样流经该途径，并随着时间的流逝而生长得更长。在下游，它以长链脂肪酸的形式排出。

托雷拉（Torella）和福特（Ford）首先对河进行了部分筑坝，并使用一种药物来建立灌溉沟渠，该药物可以阻断延长脂肪酸链的酶。这导致中链脂肪酸在大坝后面汇聚，同时仍允许足够的河流流过，以使细菌形成其膜并保持生命。该策略增加了辛酸酯的产量，但该药物过于昂贵，无法扩大规模。

出于这个原因，科学家们尝试了第二种可以更容易扩大规模的策略。他们让细胞长大，然后利用遗传技巧将河筑坝。他们还从基因上改变了第二种酶，该酶通常会生成长链脂肪酸，从而将脂肪酸延伸至八个碳原子，并且不再存在。

这种两管齐下的策略，再加上其他一些遗传上的压抑和tu节，以防止河流被其他方式侵扰，使科学家们获得了迄今报道的最高辛酸产量。

Torella说：“我们发现如果我们阻止这条河-如果我们减慢脂肪酸的伸长-就会鼓励中链脂肪酸的产生。”

“可持续性是我们今天面临的最大问题之一，开发强大的生物燃料来替代汽油是该领域的主要挑战，”威斯研究所创始理事长唐·英格伯（Don Ingber）说。“ Pam的团队采用巧妙的合成生物学策略来改造微生物，使其能够产生辛烷值，为应对这一挑战迈出了巨大的一步。”

接下来，科学家计划对大肠杆菌进行改造，以将辛酸和其他脂肪酸转化为醇，本身就是潜在的燃料分子，并且距辛烷仅一步之遥。

这项工作是由美国能源部能源高级研究计划局（ARPA-E），美国国家科学基金会以及怀斯生物启发工程研究所资助的。除了Silver，Torella和Ford外，研究团队还包括Silver团队的学生Scott Kim和Amanda Chen以及Wyss Institute的高级研究员Jeffrey Way博士。

出版物：Joseph P. Torella等人，“通过动态控制脂肪酸伸长量来定制脂肪酸合成”，PNAS，2013年6月24日；土井：10.1073 / pnas.1307129110

图像：哈佛大学怀斯学院