2016年9月19日
木质素富含大量的能量，并且结合得非常紧密，释放能量的唯一途径就是燃烧。多年来，科学家们一直对木质素感到沮丧。桑迪亚国家实验室的研究人员相信，在一种不同寻常的土壤细菌的帮助下，他们现在知道如何破解木质素，这一突破可能会改变生物燃料生产的经济性。
桑迪亚国家实验室的研究人员Arul Varman(左)和Seema Singh(首席研究员)是一个团队的成员，他们绘制了一种只依靠木质素生存的细菌的代谢途径。今天发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上的这一突破可能导致经济上可行的生物燃料生产。(摄影:Dino Vournas)
木质素是木质纤维素生物质的一种成分，这种干燥的植物物质几乎随处可见。作为一种不与食物或饲料竞争的生物质来源，木质素对生物燃料的生产至关重要。木质素构成了植物的堡垒般的细胞壁，使水分运输能够抵抗重力，同时保护它们免受微生物的侵袭和环境压力。这些有益的特性使木质素难以分解，甚至更难转化为有价值的东西。
由首席研究员Seema Singh领导的桑迪亚研究小组成员相信，通过跟踪一种以木质素为生的不寻常土壤细菌的代谢途径，他们可以开发出分解木质素并提取有价值的平台化学物质的技术。高价值化学品，如粘康酸和己二酸可以从平台化学品。
“木质素是一个未开发的资源，”辛格说。“但作为高价值化学品的基础，它具有巨大的价值。这些高价值的化学品可以是聚氨酯，尼龙和其他生物塑料的基础。“
这项工作发表在9月15日发表在《美国国家科学院院刊》上的一篇题为《解码土壤细菌如何从木质素分解中提取建筑模块和代谢能量，为木质素价化提供了路线图》的论文中。亚博老虎机网登录这项工作是由桑迪亚实验室指导研究和发展项目资助的。
化工生产是生物炼制经济的关键
由于生产成本高，生物燃料根本不作为汽油的替代品。
但是，如果你将高价值化学品的生产添加到生物炼制的商业模式中，经济就会进入合适的位置——就像炼油厂一样，原油被用于生产高价值化学品和日常生活中使用的高容量聚合物。
“汽油是一种低价值、高产量的产品。而从每桶石油中提取的高价值化学物质约占6- 10%。”辛格说道。
木质素被视为有限使用的副产品，通常为其能量含量燃烧。与燃烧电力相比，使用生物质的化学生产可以产生至少10倍的价值。
木质素为生
为了寻找如何分解木质素的灵感，研究人员将目光投向了大自然。
辛格说:“我们知道，经过很长一段时间，真菌和细菌最终会分解木质素。“如果我们能理解这个过程，我们就可以利用自然界已经知道的生物燃料和木质素的化学生产。”
由于细菌更容易被用于工业生产所需的化学物质，研究人员将重点放在了细菌上。最好的候选者是Sphingobium，或称SYK-6，它存在于木浆生产过程中富含木质素的废弃物中。
SYK-6非常有趣，因为它只以木质素为食。微生物一般靠糖生存，糖更容易分解和提取能量。想象一下在吃玉米粒和玉米皮之间做出选择。
辛格说:“从热力学的角度来看，这种细菌追求木质素而不是糖是没有意义的。”“它不会代谢糖。那么，它是如何生存的呢?我们知道SYK-6一定有一种特殊的机制来破坏聚合物木质素的强连接。”
映射代谢途径
正如追踪金钱是调查腐败的关键一样，研究人员开始追踪碳，以了解SYK-6是如何依靠木质素生存的。当细菌代谢木质素时，它通过不同的代谢产物和构建块的不同途径结束。通过跟踪碳在不同网络中的从头到尾——一种被称为代谢通量分析的方法——研究人员希望绘制出代谢途径。
辛格说:“这是第一次利用代谢通量分析来跟踪微生物中的木质素代谢。”“识别和定位可作为现实替代品的碳基板的标记源非常困难。”
由于代谢途径的复杂性，进行这些实验并不能立即得出答案。辛格将其描述为“在分析的驱动下，将一个迷人的谜团的碎片拼在一起”。
桑迪亚研究小组的论文报告了破译SYK-6代谢途径的方法。
通过化学生产使木质素定价
下一步是设计一个微生物底盘来利用SYK-6的代谢途径。关键是要在正确的步骤上停止路径，提取有用的产品。平台化学品，可以用来获得有价值的化学品，如粘康酸和己二酸，是目标。
一个前进的道路是对SYK-6进行基因工程，在可以从木质素中提取平台化学物质的时候停止其代谢过程。另一种方法是将SYK-6中负责所需重要代谢过程的基因拼接到一个强大的工业宿主上，如大肠杆菌，以创建所需燃料和化学品的基础。辛格和其他研究人员希望探索这两种选择。
辛格说:“对木质素的理解使人们对木质素有了全新的认识。”“现在我们知道了如何从木质素中获取价值，一种巨大的资源出现了。对SYK-6代谢途径的解码为木质素价化提供了路线图。”
来源：http://www.sandia.gov/