現實版“工作細胞” 稻草、玉米秸稈是如何變成生物燃料的？
中國科普博覽
05-16 09:40中國科學院網路化科學傳播官方賬號
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出品：科普中國
製作：顏飛（中國科學院青島生物能源與過程研究所）
監製：中國科學院計算機網路資訊中心
“中國製造2025”遇上德國“工業4.0”，共同掀起智慧化產業革命的浪潮。人類在大世界幹得熱火朝天，與此同時微觀世界的細胞工業智慧化時代也已具雛形。
一個細胞就是一座工廠
早在6000多年前，居住在美索不達米亞地區的蘇美爾人就已經知道用大麥芽釀製出原始的啤酒。但人類從真正認識細胞到現在才不過三四百年。1665年英國博物學家羅伯特·胡克第一次發現細胞。十幾年後另一個經常被弄混的人—列文虎克觀察到活的酵母。而直到19世紀，巴斯德才解開酒精釀造與酵母的關係。1846年，酵母在歐洲首次實現工業化生產。
至此人類對細胞的認識才上升到學說層次。細胞是一切多細胞生物的基本結構單位。對單細胞生物來說，一個細胞就是一個個體。如今單細胞生物正在生物能源領域掀起一場細胞工業革命。
細胞工業，是指利用微生物代謝實現廉價生物質材料的工業轉化過程，如利用稻草、玉米秸稈等生產生物燃料和其他高附加值產品。
傳統的生物燃料生產工藝操作複雜、成本較高。新型的整合生物加工技術（CBP）將酶的生產、纖維素的水解、五六碳糖共發酵等原本獨立的反應步驟整合在同一個反應器（細胞）中進行，實現了纖維素燃料的一步化生產。新一代木質纖維素能源產業的核心任務就是打造CBP“智慧工廠”。
熱纖梭菌，最早從美國黃石國家公園的熱泉（泉溫高於45℃而又低於當地地表水的沸點的地下水露頭）中分離得到。熱纖梭菌具有高效降解木質纖維素的能力，但在自然狀態下其燃料生產能力（即乙醇的生產能力）較差。想要用熱纖梭菌批次高效生產乙醇，則需要對這座“熱纖梭菌工廠”進行升級改造，改造過程會在後文詳細介紹。
開採糖礦的巨無霸挖掘機：纖維小體
每年地球上透過植物光合作用合成的植物生物質有數千億噸，其中非可食用的木質纖維素佔到了總量的80%以上，這簡直就是一座巨型糖礦。
為了更高效地開採糖礦，熱纖梭菌打造了纖維素降解分子機器——纖維小體。透過一條支架蛋白（Cip）將不同功能的酶組裝在一起，形成了一臺“巨無霸挖掘機”。
這麼厲害的“挖掘機”一個梭菌工廠可以配備幾臺？答案是熱纖梭菌可以將纖維小體鋪滿整個細胞壁！
不像人類的工廠，工廠位置會受到各方面的限制，梭菌工廠可以在糖礦中自由穿梭，哪裡有糖就把廠子開到哪裡。
想象一下，一群梭菌正在液體培養基裡潛水，當溫度逐漸升至55℃，大部分的細胞恢復了活力，“工廠”開始運轉。這時來自糖礦的一個訊號突然出現，梭菌幾乎同時捕獲了它，並開始高效作業將木質纖維素降解。
這個訊號分子就是纖維二糖，與多糖識別模組（CBM等）結合可促進釋放胞內σ因子，啟動相關纖維小體基因的表達。
這個訊號發令後，整個工廠都運轉起來。不同細胞器分工合作，打造出一件件精巧的部件。根據不同糖礦的情況，梭菌工廠調整酶的種類、比例和空間位置，實現纖維小體-“糖礦的巨無霸挖掘機”的智慧合成。
透過丟擲像鐵鉤一樣的碳水化合物結合模組（CBM），梭菌將自己牢牢地固定在纖維素表面。複雜的纖維小體高效運轉起來，不同功能的酶相互協調。內切酶從纖維素鏈內部大段切割，外切酶從新生成的糖鏈末端切下一個個纖維二糖分子。
最後，寡糖轉運蛋白滿載一車車的纖維二糖，進入細胞工廠內部進行簡單加工，由一把Bgl“小剪刀”將一分子纖維二糖切割為兩分子葡萄糖。經過工廠各部門的運作，到此整個開採糖礦過程結束。
這座“工廠”是如何進行高效智慧生產的？
經過加工後的葡萄糖作為原料進入代謝網路之後可以轉化為多種代謝產物如乙醇、乙酸、乳酸。因為我們的目標是乙醇，所以需要切斷乙酸和乳酸的生產線。
每條生產線上都有許多名工人（酶）在堅守崗位，辭退這些工人（基因敲除）可要花費不少力氣。由於突然降低了末端的資源消耗，而葡萄糖仍在向下遊轉化，就造成了中間產物的積累。這不僅是一種資源浪費，同時也不利於細胞的生長代謝。
為了解決這一問題，就要提高乙醇生產線的生產效率。提高工人（酶）的數量（上調基因表達水平）、改善飲食質量（還原力供給）、最重要的是漲工資即ATP（腺苷三磷酸，生物體內最直接的能量來源）的輸入）！這樣一來，整條生產線就能高效運轉起來，乙醇的產量翻了幾番。
“工廠”聯合促進纖維素生物燃料轉化
由於熱纖梭菌在纖維素生物燃料生產階段並不具有優勢，科學家們萌生了聯合工廠的主意，即利用熱纖梭菌與其它菌種共同完成纖維素生物燃料的轉化。
整改後的熱纖梭菌的細胞工廠的主要任務由CBP（整合生物合成工藝）變為CBS（整合生物糖化工藝），專業降解木質纖維素產糖，整個流程都在胞外完成。
我們將上文中的Bgl小剪和外切酶一起組裝到了纖維小體上，在外切酶切下纖維二糖的同時再來一刀，最終收穫的就是一罐罐的葡萄糖了。
葡萄糖被轉運至下一個工廠——裂殖壺菌，葡萄糖進入改造後的裂殖壺菌代謝網路，可以高效產出DHA（二十二碳六烯酸）。
DHA是一種多不飽和脂肪酸，維持著神經系統細胞的生長和代謝。嬰兒食之有利於大腦和視網膜的發育，成年人服用有利於改善記憶。
然後，葡萄糖被轉運至微擬球藻“工廠”，微藻因光合效率高、生長速率快、佔地面積小、油脂含量高等優點，當之無愧地成為第三代生物柴油原料的首選。在開放塘中大規模培養微藻，微藻細胞內糖類物質經過一系列的代謝反應轉化為油脂。利用短鏈醇和藻類油脂在催化劑、高溫環境下進行酯交換反應，最終合成脂肪酸單脂，即生物柴油。
接著，葡萄糖被轉運至下一個工廠——類酵母菌，可用來生產角鯊烯。角鯊烯是類固醇類物質的生物合成前體，具有較強的生物活性, 能夠增強肌體組織對氧的利用能力，被廣泛應用在醫療保健品和化妝品。
從名字就可以得知，這種物質最早從鯊魚肝、卵中提煉得到。利用類酵母菌生產角鯊烯還可以起到保護野生動物的作用。
正如但丁所說“世界上沒有垃圾只有放錯地方的寶藏”，透過細胞工廠的運作，人類就可以真正實現變廢為寶
現實版“工作細胞” 稻草、玉米秸稈是如何變成生物燃料的？
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“中國製造2025”遇上德國“工業4.0”，共同掀起智慧化產業革命的浪潮。人類在大世界幹得熱火朝天，與此同時微觀世界的細胞工業智慧化時代也已具雛形。
一個細胞就是一座工廠
早在6000多年前，居住在美索不達米亞地區的蘇美爾人就已經知道用大麥芽釀製出原始的啤酒。但人類從真正認識細胞到現在才不過三四百年。1665年英國博物學家羅伯特·胡克第一次發現細胞。十幾年後另一個經常被弄混的人—列文虎克觀察到活的酵母。而直到19世紀，巴斯德才解開酒精釀造與酵母的關係。1846年，酵母在歐洲首次實現工業化生產。
至此人類對細胞的認識才上升到學說層次。細胞是一切多細胞生物的基本結構單位。對單細胞生物來說，一個細胞就是一個個體。如今單細胞生物正在生物能源領域掀起一場細胞工業革命。
細胞工業，是指利用微生物代謝實現廉價生物質材料的工業轉化過程，如利用稻草、玉米秸稈等生產生物燃料和其他高附加值產品。
傳統的生物燃料生產工藝操作複雜、成本較高。新型的整合生物加工技術（CBP）將酶的生產、纖維素的水解、五六碳糖共發酵等原本獨立的反應步驟整合在同一個反應器（細胞）中進行，實現了纖維素燃料的一步化生產。新一代木質纖維素能源產業的核心任務就是打造CBP“智慧工廠”。
熱纖梭菌，最早從美國黃石國家公園的熱泉（泉溫高於45℃而又低於當地地表水的沸點的地下水露頭）中分離得到。熱纖梭菌具有高效降解木質纖維素的能力，但在自然狀態下其燃料生產能力（即乙醇的生產能力）較差。想要用熱纖梭菌批次高效生產乙醇，則需要對這座“熱纖梭菌工廠”進行升級改造，改造過程會在後文詳細介紹。
開採糖礦的巨無霸挖掘機：纖維小體
每年地球上透過植物光合作用合成的植物生物質有數千億噸，其中非可食用的木質纖維素佔到了總量的80%以上，這簡直就是一座巨型糖礦。
為了更高效地開採糖礦，熱纖梭菌打造了纖維素降解分子機器——纖維小體。透過一條支架蛋白（Cip）將不同功能的酶組裝在一起，形成了一臺“巨無霸挖掘機”。
這麼厲害的“挖掘機”一個梭菌工廠可以配備幾臺？答案是熱纖梭菌可以將纖維小體鋪滿整個細胞壁！
不像人類的工廠，工廠位置會受到各方面的限制，梭菌工廠可以在糖礦中自由穿梭，哪裡有糖就把廠子開到哪裡。
想象一下，一群梭菌正在液體培養基裡潛水，當溫度逐漸升至55℃，大部分的細胞恢復了活力，“工廠”開始運轉。這時來自糖礦的一個訊號突然出現，梭菌幾乎同時捕獲了它，並開始高效作業將木質纖維素降解。
這個訊號分子就是纖維二糖，與多糖識別模組（CBM等）結合可促進釋放胞內σ因子，啟動相關纖維小體基因的表達。
這個訊號發令後，整個工廠都運轉起來。不同細胞器分工合作，打造出一件件精巧的部件。根據不同糖礦的情況，梭菌工廠調整酶的種類、比例和空間位置，實現纖維小體-“糖礦的巨無霸挖掘機”的智慧合成。
透過丟擲像鐵鉤一樣的碳水化合物結合模組（CBM），梭菌將自己牢牢地固定在纖維素表面。複雜的纖維小體高效運轉起來，不同功能的酶相互協調。內切酶從纖維素鏈內部大段切割，外切酶從新生成的糖鏈末端切下一個個纖維二糖分子。
最後，寡糖轉運蛋白滿載一車車的纖維二糖，進入細胞工廠內部進行簡單加工，由一把Bgl“小剪刀”將一分子纖維二糖切割為兩分子葡萄糖。經過工廠各部門的運作，到此整個開採糖礦過程結束。
這座“工廠”是如何進行高效智慧生產的？
經過加工後的葡萄糖作為原料進入代謝網路之後可以轉化為多種代謝產物如乙醇、乙酸、乳酸。因為我們的目標是乙醇，所以需要切斷乙酸和乳酸的生產線。
每條生產線上都有許多名工人（酶）在堅守崗位，辭退這些工人（基因敲除）可要花費不少力氣。由於突然降低了末端的資源消耗，而葡萄糖仍在向下遊轉化，就造成了中間產物的積累。這不僅是一種資源浪費，同時也不利於細胞的生長代謝。
為了解決這一問題，就要提高乙醇生產線的生產效率。提高工人（酶）的數量（上調基因表達水平）、改善飲食質量（還原力供給）、最重要的是漲工資即ATP（腺苷三磷酸，生物體內最直接的能量來源）的輸入）！這樣一來，整條生產線就能高效運轉起來，乙醇的產量翻了幾番。
“工廠”聯合促進纖維素生物燃料轉化
由於熱纖梭菌在纖維素生物燃料生產階段並不具有優勢，科學家們萌生了聯合工廠的主意，即利用熱纖梭菌與其它菌種共同完成纖維素生物燃料的轉化。
整改後的熱纖梭菌的細胞工廠的主要任務由CBP（整合生物合成工藝）變為CBS（整合生物糖化工藝），專業降解木質纖維素產糖，整個流程都在胞外完成。
我們將上文中的Bgl小剪和外切酶一起組裝到了纖維小體上，在外切酶切下纖維二糖的同時再來一刀，最終收穫的就是一罐罐的葡萄糖了。
葡萄糖被轉運至下一個工廠——裂殖壺菌，葡萄糖進入改造後的裂殖壺菌代謝網路，可以高效產出DHA（二十二碳六烯酸）。
DHA是一種多不飽和脂肪酸，維持著神經系統細胞的生長和代謝。嬰兒食之有利於大腦和視網膜的發育，成年人服用有利於改善記憶。
然後，葡萄糖被轉運至微擬球藻“工廠”，微藻因光合效率高、生長速率快、佔地面積小、油脂含量高等優點，當之無愧地成為第三代生物柴油原料的首選。在開放塘中大規模培養微藻，微藻細胞內糖類物質經過一系列的代謝反應轉化為油脂。利用短鏈醇和藻類油脂在催化劑、高溫環境下進行酯交換反應，最終合成脂肪酸單脂，即生物柴油。
接著，葡萄糖被轉運至下一個工廠——類酵母菌，可用來生產角鯊烯。角鯊烯是類固醇類物質的生物合成前體，具有較強的生物活性, 能夠增強肌體組織對氧的利用能力，被廣泛應用在醫療保健品和化妝品。
從名字就可以得知，這種物質最早從鯊魚肝、卵中提煉得到。利用類酵母菌生產角鯊烯還可以起到保護野生動物的作用。
正如但丁所說“世界上沒有垃圾只有放錯地方的寶藏”，透過細胞工廠的運作，人類就可以真正實現變廢為寶