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PNAS:转基因埃希氏菌吃柳枝稷造运输燃料

2011/12/03 来源:中国科技网
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导读
最近,美国能源部联合生物能源研究所研究人员通过转基因工程,首次制造出了能消化柳枝稷生物质的埃希氏菌,将其中的糖转化为可代替汽油、柴油和航空燃料3种运输燃料的先进生物能源,而且无需添加任何酶。

据美国物理学家组织网11月29日报道,最近,美国能源部联合生物能源研究所研究人员通过转基因工程,首次制造出了能消化柳枝稷生物质的埃希氏菌(Escherichia coli bacteria),将其中的糖转化为可代替汽油、柴油和航空燃料3种运输燃料的先进生物能源,而且无需添加任何酶。相关论文发表在《美国国家科学院院刊》上。

埃希氏菌(Escherichia coli bacteria)

正常埃希氏菌无法在柳枝稷上生长,但研究人员改造了这种细菌,使其能表达多种酶,由此能消化纤维素或半纤维素生存。分解纤维素和半纤维素的埃希氏菌还可以在柳枝稷上共同培养,进一步设计成3条代谢路径,让它们能产出燃料替代品或适合于汽油、柴油及航空发动机的前期分子。这是第一次演示了埃希氏菌能产生这3种形式的运输燃料。

此外,由于植物中的纤维素、半纤维素很难提取,研究人员用了一种离子液(熔化的盐)预处理的方法使生物质溶解,然后让埃希氏菌消化溶解后的生物质,产出具有石油燃料性能的碳氢化合物。

论文领导作者、联合生物能源研究所博士后研究员格雷戈里·博金斯基解释说,用离子液预处理柳枝稷必不可少,他们是结合了离子液预处理和转基因埃希氏菌这两种策略。

由非粮食作物和农业废弃物纤维素加工的先进燃料,被认为是最好的可再生液态运输燃料,可用于目前的发动机和基础设施,但最大障碍是成本太高,难以和其他燃料竞争。“我们能降低加工过程中最大部分的成本——添加酶把纤维素和半纤维素解聚成可发酵的糖,将两个步骤合二为一可降低燃料生产成本,为用木质纤维素材料生产先进生物燃料打开大门。”负责该研究的联合生物能源研究所首席执行官杰伊·基斯林说。

研究小组还在进一步研究如何提高合成燃料的产量。博金斯基说:“我们已经有了燃料产品路径,能获得比目前所演示的更高的产量。我们还需要找到一种能由埃希氏菌分泌的酶,同时还能消化更多经离子液处理后的生物质,或改良离子液预处理步骤,让其更容易被消化。”

 

Synthesis of three advanced biofuels from ionic liquid-pretreated switchgrass using engineered Escherichia coli

Gregory Bokinsky, Pamela P. Peralta-Yahya, Anthe George Bradley M. Holmes, Eric J. Steen, Jeffrey Dietrich, Taek Soon Lee, Danielle Tullman-Ercek, Christopher A. Voigtg, Blake A. Simmons, and Jay D. Keasling

One approach to reducing the costs of advanced biofuel production from cellulosic biomass is to engineer a single microorganism to both digest plant biomass and produce hydrocarbons that have the properties of petrochemical fuels. Such an organism would require pathways for hydrocarbon production and the capacity to secrete sufficient enzymes to efficiently hydrolyze cellulose and hemicellulose. To demonstrate how one might engineer and coordinate all of the necessary components for a biomass-degrading, hydrocarbon-producing microorganism, we engineered a microorganism naïve to both processes, Escherichia coli, to grow using both the cellulose and hemicellulose fractions of several types of plant biomass pretreated with ionic liquids. Our engineered strains express cellulase, xylanase, beta-glucosidase, and xylobiosidase enzymes under control of native E. coli promoters selected to optimize growth on model cellulosic and hemicellulosic substrates. Furthermore, our strains grow using either the cellulose or hemicellulose components of ionic liquid-pretreated biomass or on both components when combined as a coculture. Both cellulolytic and hemicellulolytic strains were further engineered with three biofuel synthesis pathways to demonstrate the production of fuel substitutes or precursors suitable for gasoline, diesel, and jet engines directly from ionic liquid-treated switchgrass without externally supplied hydrolase enzymes. This demonstration represents a major advance toward realizing a consolidated bioprocess. With improvements in both biofuel synthesis pathways and biomass digestion capabilities, our approach could provide an economical route to production of advanced biofuels.

文献链接http://www.biodiscover.com/news/bioenergy/library/10407

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