微生物发酵生产“生物石油”新进展:为石化工业提供可持续的碳氢化合物

【字体: 时间:2021年11月25日 来源:生物通

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  加州伯克利的研究人员改造细菌,使之可通过葡萄糖代谢工程产生易于脱氧为碳氢化合物的化工前体,作为化石燃料的可持续替代“生物石油”,用于聚合成塑料,制造柴油等产品。这将有望成为重点发展的研究方向。

  

石化工业将石油转化为化工前体用于合成各种重要物质。石油的重要性和不可再生性,使得各国都在迫切寻找可持续来源的替代品,以摆脱对石油和天然气的依赖——对替代品要求之一是可再生,另一个要求是可以毫不费力地进入现有的生产过程,生产燃料、润滑油和塑料等产品。

“生物化”是显而易见的选择。生物发酵已经广泛用于生产各种需要的蛋白和多种原料,用微生物发酵来生产“生物石油”是一个美好的愿景,也是科学家们努力的方向。但相比化石燃料的碳氢化合物,一般微生物生产的“产品”含有太多的氧元素,有太多的其他原子挂在碳原子上。为了让微生物生产的碳氢化合物能够在现有的合成过程中发挥作用,它们通常必须被去氧——用化学术语来说就是被还原——并去除多余的化学基团,所有这些都需要能量。

生物技术进步使得改造细菌变得更容易操作。来自加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)和明尼苏达大学(University of Minnesota)的一组科学家在新一期的《自然 化学》上介绍了他们如何改造微生物,使其产生更容易脱氧的碳氢化合物链,并且所需能量更少——基本上就是细菌吃的糖葡萄糖,再加上一点热量。这一改造使得微生物发酵产物可以用于生产多种化学物质——尤其是由中链碳氢化合物制成的润滑剂——这种中链碳氢化合物含有8到10个碳原子,通常从石油中提取。

制造烯烃的生物过程

生命系统能够有效地将可再生碳源(如葡萄糖)转化为大量的小分子,但是含氧——都是“水做的骨肉”,如何从细胞中获得单纯的碳氢化合物仍难以解决。而来自化石的碳氢化合物是简单的碳原子线性链,每个碳上都连着氢原子。但是,现有的石化工业为“将这些来自化石的碳氢化合物转化为高价值产品”而优化的化学过程,并不容易被微生物产生的含氧前体所取代——这些前体的碳原子上还装饰着许多其他原子和小分子。

为了让细菌产生可以替代这些化石燃料前体的物质,Chang和她的团队,包括共同第一作者Wang Zhen和Song Heng(前加州大学伯克利分校博士后研究员),在数据库中搜索了来自其他细菌的酶,以合成中链碳氢化合物。他们还寻找了一种酶,它可以在碳氢化合物的一端添加一种特殊的化学基团,羧酸,把它变成所谓的脂肪酸。研究人员将5个不同的基因插入大肠杆菌中,迫使细菌发酵葡萄糖并产生所需的中链脂肪酸。添加的酶反应独立于细菌自身的酶途径,这比试图调整细菌复杂的代谢网络效果更好。这种双重的细胞多相催化策略(dual cellular–heterogeneous catalytic strategy )利用研究人员克隆的水解酶和硫解酶(iterative thiolase enzymes),使大肠杆菌从葡萄糖生产出可用于制备烯烃的、易于脱氧的活化中间体3-羟基辛酸和 3-羟基癸酸。制造中链脂肪酸的最后一步是通过催化反应将产物转化为烯烃,烯烃是聚合物和润滑剂的前体。这种 3-羟基取代基充当离去基团,在路易斯酸性催化剂上实现烯烃产物的多相串联脱羧-脱水途径,而无需简单脂肪酸的酶促或化学脱氧所需的额外氧化还原输入。

加州大学伯克利分校的小组与明尼苏达小组合作,证明了一个简单的,酸基催化反应——被称为刘易斯酸催化反应(以著名的加州大学伯克利分校的化学家吉尔伯特·牛顿·刘易斯命名),能够很容易地从微生物最终产物——3-羟基辛酸和3-羟基癸酸中去除羧酸,分别产生烯烃庚烯和壬烯。与氧化还原反应相比,路易斯酸催化反应消耗的能量要少得多,而氧化还原反应通常需要从天然产物中除去氧气来生产纯碳氢化合物。

有7个碳的庚烯和9个碳的壬烯可以直接用作润滑剂,裂解成更小的碳氢化合物,用作塑料聚合物(如聚乙烯或聚丙烯)的前体,或者连接形成更长的碳氢化合物,如蜡和柴油中的碳氢化合物。这意味着如果经过优化量产,就可以实现用微生物发酵来生产“生物石油”,进而生产润滑油和塑料产品。

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“试图将葡萄糖等物质作为推动化学工业的原料,部分问题在于石化产品的化石燃料结构非常不同——它们通常完全被还原,没有氧元素结合。”“细菌知道如何制造所有这些复杂的分子,这些分子中有所有这些官能团,就像所有的自然产物一样,但制造我们习惯用作化学工业前体的石化产品对它们来说是一个挑战。”“这个过程是向这些微生物产品脱氧迈出的一步,使得我们能够开始制造可以取代石化产品的东西,只使用植物生物量中的葡萄糖,这是更可持续和可再生的。”“这样我们就有望摆脱石化产品和其他化石燃料。”

这些细菌被改造成中等长度的碳氢化合物链,这是以前从未实现过的,尽管其他一些人已经开发出微生物过程来制造更短或更长的链,最多可达20个碳。但Chang说,这一过程可以很容易地适应于制造其他长度的链,包括短链碳氢化合物,用作最流行的塑料的前体,如聚乙烯。

“我们发现了新的酶可以产生这些中等大小的碳氢链,它们是独立的,因此可以从细菌的脂肪酸生物合成中分离出来。这使得我们可以单独利用它,而且它比使用天然合成酶途径消耗更少的能量,”Chang说。“细胞需要消耗足够的葡萄糖才能生存,但除此之外,还有另一途径消耗葡萄糖以获得更高的转化和高产。”

“Chang教授的团队制造的可再生分子是催化精炼的完美原料,”Dauenhauer说,他把这些前体分子称为生物石油。“这些分子含有足够的氧气,我们可以很容易地利用金属纳米颗粒催化剂将它们转化为更大、更有用的分子。这使得我们可以根据需要调整分子产品的分布,就像传统石油产品一样,只不过这次我们使用的是可再生资源。”

Chang说:“这是制造目标化合物的一般过程,不管它们的链长是多少。”“当你想要改变一个官能团或链长或它的分支方式时,你不需要每次都设计一个酶系统。”

尽管他们在代谢工程上取得了成就,但Chang指出,长期和更可持续的目标将是彻底重新设计合成工业碳氢化合物(包括塑料)的过程,以便优化使用微生物通常产生的化学物质类型,而不是改变微生物产品以适应现有的合成过程。

“人们对这个问题很感兴趣,‘如果我们研究全新的聚合物结构会怎么样?’,”她说。“我们能否通过发酵从葡萄糖中提取单体,使塑料的性能与我们现在使用的塑料相似,但结构与聚乙烯或聚丙烯不同,因为它们不容易回收利用。”



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