華盛頓大學的一個研究團隊對一種名為沼澤紅假單胞菌(Rhodopseudomonas palustris)的細菌進行了改造，使其能夠僅使用三種可再生的、自然豐富的原料:二氧化碳、太陽能電池板產生的電和光來生產生物燃料。由此產生的生物燃料正丁醇是一種真正的碳中和燃料替代品，可以與柴油或汽油混合使用。研究結果發表在11月3日的《通訊生物學》雜誌上。這項研究由副教授Arpita Bose領導，第一作者Wei Bai，是McKelvey工程學院能源、環境與化學工程系的博士研究生，原在Bose實驗室擔任研究助理，現在是Amyris的一名科學家，Amyris是一家用合成生物學制造可持續原料的公司。
背景
賽業生物神經、腫瘤研究一站式解決方案工具書下載，點我申請領 取
化石燃料燃燒釋放二氧化碳 (CO2 ) 激發了科學家們研究 CO2到生物燃料的轉化，這種方法得到的生物燃料由於不會產生額外的CO2排放而被認為是碳中和燃料。有氧光養生物如藍藻已被用於利用CO2生產生物燃料。然而，含氧光合作用期間的氧氣產生會對生物燃料生產效率產生不利影響，因為在生物合成途徑中涉及的許多酶是氧敏感的。而在各種生物燃料中，與乙醇相比，正丁醇具有更高的能量含量、更低的揮發性和更低的親水性，因此受到了更多的關注。除了化學法合成，還可以用梭菌屬進行丙酮-丁醇-乙醇 (ABE) 發酵，但由於這些微生物是化學異養生物，生產的正丁醇還算不上碳中和性質。
無氧光合自養生物沼澤紅假單胞菌TIE-1 (TIE-1)，可以使用各種碳源，如大氣 CO2和有機酸（可以很容易地從有機廢物中獲得），TIE-1 還可以固定氮氣 (N2 ) 並使用範圍廣泛的電子源，其中包括 H2（它是許多行業的副產品）、二價鐵 [Fe(II)]——它是一種天然豐富的元素。最重要的是，TIE-1 還可以使用來自平衡電極（即光電自養）的電子，這些電子可以可持續地產生，用於其光合作用生長。這種廣泛的電子供體選擇使 TIE-1 能夠進行光合作用，同時避免 O2生成，避免生物燃料合成的有害成分。TIE-1 進行光電自養的能力有利於生物燃料生產，因為 TIE-1 從平衡電極直接吸收電子避免了對間接電子供體（如 H 2 ）的需要。TIE-1 具有低 E appl (0.1 V) 要求，從而降低成本和電解氧氣生成。TIE-1 的E appl要求比水分解所需的低約 90% ，這允許使用低成本太陽能電池板來構建用於太陽能燃料合成的新型生物混合系統。總體而言，TIE-1 是一種吸引人的微生物，它能夠使用豐富的 CO2、氮氣、太陽能和可再生電力產生的電子進行生物生產。這個過程可以將多餘的電力儲存為可用的燃料或產品，以備後用。
亮點
基於這兩點，來自華盛頓大學的研究人員將正丁醇生物合成途徑引入無氧（厭氧）光能自養生物沼澤紅假單胞菌TIE-1 (TIE-1)中，實現了在野生型 TIE-1、缺乏固氮途徑的突變體、以及缺乏乙醯輔酶 A 消耗（多羥基丁酸和糖原合成）途徑的突變體中合成正丁醇。其中，缺乏固氮途徑的突變體產生的正丁醇最多——結合新型混合生物電化學平臺，該突變體可利用 CO2、太陽能電池板產生的電力和具有高電能轉換效率的光生產正丁醇。研究表明沼澤紅假單胞菌 TIE-1 可作為一種有吸引力的微生物型別，使用可持續、可再生和豐富的資源進行碳中性正丁醇生物生產。
正丁醇生物合成途徑，盒式設計，生產正丁醇的沼澤紅假單胞菌TIE-1（TIE-1）的主要代謝途徑。
正丁醇生物合成途徑包括五個基因。每個基因編碼的酶和這些酶催化的反應以深藍色顯示。兩種主要副產品（丙酮和乙醇）以深紅色顯示。NADH，煙醯胺腺嘌呤二核苷酸；NADPH，煙醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸。b盒式設計。3基因盒僅在組成型啟動子 P aphII下的質粒上引入了3 個基因（phaJ、ter和adhE 2），需要依靠TIE-1基因組上的PHAA和PHAB進行正丁醇合成步驟的前兩個步驟。5 基因盒包含位於組成型啟動子P aphII下的所有五個基因（PHAA，PHAB，phaJ，ter和的adhE 2）。c 光能異養：TIE-1 使用有機酸作為碳源和電子源，光作為能源，銨（NH 4 +）或雙氮（N 2）作為氮源。d 光能自養：TIE-1 使用二氧化碳作為碳源，氫 (H 2 )、亞鐵 [Fe(II)] 或平衡電極作為電子源，光作為能源，NH4 +或 N2作為氮源。
“微生物已經進化出一系列令人著迷的方法，以從周圍環境中獲取營養，”Bose說。“也許這些發酵技術中最吸引人的一項就是使用微生物電合成(MES)。在這裡，我們利用微生物的力量，在可用的生物燃料中將二氧化碳轉化為增值的多碳化合物。”Bai說:“我們製造的燃料正丁醇，能量含量高，在不燃燒的情況下不易蒸發或溶於水。與乙醇這一常用的生物燃料相比，情況尤其如此。”
透過微生物電合成為生的微生物直接連線到MES反應器內的負電荷陰極上，這樣它們就可以“吃”電。Bose實驗室之前的研究幫助闡明瞭諸如TIE-1這樣的微生物是如何利用電子固定二氧化碳的，以及它們如何被用來製造可持續的生物塑膠。Bose說，隨著科學家對這些微生物的瞭解越來越多，它們的潛在用途也越來越有前景，不過她也承認，在這種技術可以大規模工業化之前，還需要改進。
生產可持續的生物燃料
為了探索如何利用TIE-1來生產生物燃料，Bai和Bose構建了一種不能固定氮的微生物突變體。科學家們隨後將人工正丁醇生物合成途徑引入到這個新的突變體中。當氮氣是其唯一的氮源時，他們製造的微生物無法生長。因此，這一版本的TIE-1轉而致力於生產正丁醇——在不顯著增加電力消耗的情況下提高了生物燃料的產量。
白說:“據我們所知，這項研究代表了利用太陽能電池板驅動的微生物電合成平臺生產生物燃料的首次嘗試，在這個平臺上，二氧化碳可以直接轉化為液體燃料。”“我們希望它能成為未來可持續太陽能燃料生產的墊腳石。”Bose說:“利用太陽能電池板產生的電能，利用微生物電合成技術實現生物塑膠和生物燃料的工業化生產，創造了一個完全可持續的迴圈。”“美國和歐盟承認微生物電合成是可持續發展和氣候變化解決方案的關鍵技術。”“最終，透過開發在遙遠的過去進化的微生物代謝，我們希望新的方法將出現，幫助解決我們這個時代一些最緊迫的問題。”
