新系统通过帮助酵母在工业毒素中存活，简化了将植物糖发酵为燃料的过程

在一篇新论文中，研究人员提出了一种从玉米残渣和一些草等木本植物材料中更有效地生产生物燃料的方法。图片来源：Markus Distelrath/Pixabay

新系统通过帮助酵母在工业毒素中存活，简化了将植物糖发酵为燃料的过程。

美国种植的玉米比任何其他作物都多，但我们只将一小部分植物用于食品和燃料生产；一旦人们收获了谷粒，就剩下不可食用的叶子、茎和玉米棒。如果这种称为玉米秸秆的植物物质可以像玉米粒一样有效地发酵成乙醇，那么秸秆就可以成为一种大规模的可再生燃料来源。

怀特黑德研究所成员和麻省理工学院 ( MIT ) 生物学教授杰拉尔德芬克说：“秸秆的产量与石油相当。” “但要以低廉的价格使用它们来制造生物燃料和其他重要化学品，存在巨大的技术挑战。”

因此，年复一年，大部分木质玉米材料都留在田里腐烂。

现在，由麻省理工学院博士后研究员 Felix Lam 领导的 Fink 和麻省理工学院化学工程教授 Gregory Stephanopolous 的一项新研究提供了一种更有效地利用这种未充分利用的燃料来源的方法。通过改变常见酵母模型、面包酵母酿酒酵母周围的生长培养基条件 ，并添加一种解毒酶基因，他们能够使用酵母以几乎相同的效率从木质玉米材料中制造乙醇和塑料作为典型的乙醇来源，例如玉米粒。

糖衣问题

多年来，生物燃料行业一直依靠酵母等微生物将玉米粒中的葡萄糖、果糖和蔗糖转化为乙醇，然后与传统汽油混合为我们的汽车提供燃料。

玉米秸秆和其他类似材料也富含糖，以一种称为纤维素的分子形式存在。虽然这些糖也可以转化为生物燃料，但由于植物紧紧抓住它们，将纤维素分子以链状结合在一起并将它们包裹在称为木质素的纤维分子中，因此难度更大。分解这些坚韧的外壳并分解糖链会产生一种化学混合物，这对传统的发酵微生物来说是难以消化的。

发现：一组BiSbTe3的拉曼光谱图

怀特黑德研究所成员 Gerald Fink 站在草丛 Miscanthus giganteus 的前面，这是可以转化为乙醇的纤维素的另一种潜在来源。照片由菲利克斯林提供

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为了帮助生物体，乙醇生产厂的工人用酸性溶液预处理高纤维素材料，以分解这些复杂的分子，以便酵母发酵它们。然而，这种处理的副作用是产生了称为醛的分子，这些分子对酵母有毒。过去，研究人员已经探索了降低醛类毒性的不同方法，但考虑到整个过程几乎不需要成本，因此解决方案有限。“这是为了制造乙醇，这实际上是我们燃烧的东西，”林说。“它必须非常便宜。”

面对这一经济和科学问题，工业界已经减少了从富含纤维素的材料中生产乙醇的工作。“这些毒素是以低成本生产生物燃料的最大限制之一。” Gregory Stephanopoulos 说，他是麻省理工学院化学工程的 Willard Henry Dow 教授。

向酵母伸出援助之手

为了解决毒素问题，研究人员决定将重点放在添加酸以分解坚韧分子时产生的醛类。“我们不知道醛攻击微生物的确切机制，所以问题是，如果我们真的不知道它攻击什么，我们如何解决这个问题？” 林说。“所以我们决定将这些醛化学转化为酒精形式。”

该团队开始寻找专门将醛类转化为醇类的基因，并找到了一个名为 GRE2 的基因。他们通过称为定向进化的过程优化了基因以使其更有效，然后将其引入通常用于乙醇发酵的 酵母酿酒酵母中。当具有进化的 GRE2 基因的酵母细胞遇到醛时，它们能够通过添加额外的氢原子将它们转化为醇。

由纤维素产生的高浓度乙醇和其他醇在过去可能会造成问题，但在这一点上，Lam 过去的研究开始发挥作用。在 2015 年 Lam、Stephanopoulos 和 Fink 的一篇论文中，研究人员开发了一种系统，使酵母对多种醇类的耐受性更强，以便用更少的酵母生产更多的燃料。该系统涉及测量和调整酵母生长培养基中的 pH 值和钾水平，从而使细胞膜化学稳定。

通过将这种方法与他们新改良的酵母相结合，“我们基本上将醛问题引入了我们之前研究过的酒精问题，”Lam 说。“我们将醛类改变并解毒成我们知道如何处理的形式。”

当他们测试该系统时，研究人员能够从玉米秸秆、芒草和其他类型的植物物质中有效地制造乙醇甚至塑料前体。“使用我们的系统，我们能够在每单位材料中生产大量乙醇，”芬克说。“这表明，在从富含纤维素的植物材料中生产燃料时，它很有可能成为一种具有成本效益的解决方案，以解决产生的化学和经济问题。”

扩大

在全国范围内实施替代燃料来源时往往面临挑战；例如，电动汽车需要一个全国性的充电基础设施，才能成为汽油车的可行替代品。

研究人员的新系统的一个基本特征是基础设施已经到位。乙醇和其他液体生物燃料与现有的汽油车兼容，因此几乎不需要改变车队或消费者的加油习惯。“现在（美国）每年生产大约 150 亿加仑乙醇，因此规模很大，”他说。“这意味着有数十亿美元和价值数十年的基础设施。如果你能融入其中，你就能更快地进入市场。”

玉米秸秆只是高纤维素材料的众多来源之一。其他植物，如麦草和芒草，也被称为银草，可以非常便宜地种植。“目前，这个国家纤维素的主要来源是玉米秸秆，”林说。“但如果有对纤维素的需求，因为你现在可以以可持续的方式制造所有这些石油基化学品，那么希望农民将开始种植芒草，以及所有这些超密集的稻草。”

未来，研究人员希望研究用这些抗毒素基因修饰酵母的潜力，以创造出多种类型的生物燃料，例如可用于典型燃料燃烧发动机的柴油。“如果我们可以[将此系统用于其他燃料类型]，我认为这将大大有助于解决船舶和重型机械等由于没有其他电动或非排放解决方案而继续污染的行业，”林说.