将石油转化为燃料涉及到最初由人类在19世纪发明的原始化学。与此同时，细菌已经产生碳基能量分子数十亿年了。你认为哪个更擅长这份工作?
劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)领导的一组生物燃料专家深知生物学的优势，他们从链霉菌制造的一种特殊的抗真菌分子中汲取灵感，开发了一种全新的燃料。这种燃料的能量密度预计将超过目前使用的最先进的重型燃料，包括NASA使用的火箭燃料。
合成生物学先驱、能源部联合生物能源研究所(JBEI)首席执行官杰伊·科斯林(Jay Keasling)表示:“这种生物合成途径为生产高能量密度燃料提供了一条清洁的途径，在这项工作之前，这种燃料只能通过使用一种毒性很高的合成过程从石油中生产。”“由于这些燃料将由以植物物质为养料的细菌产生，而植物物质是由大气中的二氧化碳产生的，因此，与石油产生的任何燃料相比，在发动机中燃烧它们将显著减少温室气体的添加量。”
这些燃料候选分子被称为POP-FAMEs(多环丙烷脂肪酸甲酯)，其惊人的能量潜力来自其结构的基本化学性质。多环丙烷分子含有多个三角形的三碳环，使每个碳碳键形成一个尖锐的60度角。与燃料中常见的较大的环结构或碳-碳链相比，这种张力键中的势能转化为更多的燃烧能量。此外，这些结构使燃料分子在小体积内紧密地聚集在一起，增加了任何给定油箱内燃料的质量，从而增加了总能量。
“对于石化燃料，你得到的是一种不同分子的汤，你对这些化学结构没有很多精细的控制。但这是我们长期使用的燃料，我们设计的所有发动机都使用石油衍生品，”Eric Sundstrom说，他是发表在《Joule》杂志上的一篇描述POP燃料候选的论文的作者，也是伯克利实验室先进生物燃料和生物制品工艺开发单元(ABPDU)的研究科学家。
桑德斯特伦说:“这项工作背后的更大财团Co-Optima得到了资助，不仅要考虑从生物基原料中再造同样的燃料，还要考虑如何制造性能更好的新燃料。”“由此产生的问题是:‘哪些有趣的结构是生物化学所不能创造的?’”
寻找环链
Keasling也是加州大学伯克利分校的一名教授，很长一段时间以来一直关注着环丙烷分子。他在科学文献中搜寻了三碳环的有机化合物，只发现了两个已知的例子，都是由链霉菌制造的，而链霉菌几乎不可能在实验室环境中生长。幸运的是，由于对其中一种分子的抗真菌特性的兴趣，人们已经对其进行了研究和基因分析。这种天然产物于1990年被发现，被命名为jawsamycin，因为它前所未有的五个环丙烷环使它看起来像充满尖牙的颌。
Keasling的团队，由JBEI和ABPDU的科学家组成，研究了来自原始菌株(S. roseoverticillatus)的编码jawsamycin构建酶的基因，并深入研究了相关链霉菌的基因组，寻找一种酶的组合，可以在跳过结构的其他部分的同时，用jawsamycin的齿环制造分子。就像面包师重新编写食谱来发明完美的甜点一样，该团队希望重新混合现有的细菌机制，以创造出一种具有随时可以燃烧的燃料特性的新分子。
第一作者巴勃罗·克鲁兹·莫拉莱斯(Pablo Cruz-Morales)在一种名为白色念珠菌(S. albireticuli)的菌株中发现了新的制造环丙烷的酶后，能够组装制造POP-FAMEs的所有必要成分。“我们在数千个基因组中寻找自然生成我们所需的基因的途径。这样一来，我们就避免了工程上可能行得通也可能行不通的问题，我们使用了大自然的最佳解决方案，”丹麦技术大学诺和诺德基金会生物可持续性中心的高级研究员、与科斯林合作的酵母天然产品实验室的联合首席研究员克鲁兹·莫拉莱斯(cruz morales)说。
不幸的是，当涉及到生产力时，细菌并不那么合作。链霉菌普遍存在于每个大陆的土壤中，以其制造不寻常化学物质的能力而闻名。克鲁兹·莫拉莱斯说:“现在使用的很多药物，比如免疫抑制剂、抗生素和抗癌药物，都是由改造过的链霉菌制造的。”“但它们非常反复无常，在实验室里不太好共事。她们很有才华，但她们是天后。”当两种不同的工程链霉菌未能产生足够数量的POP-FAMEs时，他和他的同事不得不将它们新排列的基因簇复制到一个更“驯服”的亲戚中。
生成的脂肪酸含有多达7个环丙烷环链在碳链上，因此被称为fuelimycin。在类似于生物柴油生产的过程中，这些分子只需要一个额外的化学加工步骤就可以作为燃料。
现在我们用的是环丙烷
尽管他们还没有生产出足够的燃料候选分子进行实地测试——“你需要10公斤的燃料才能在真正的火箭发动机中进行测试，而我们还没有做到，”克鲁兹·莫拉莱斯笑着解释道——但他们能够评估科斯林关于能量密度的预测。
太平洋西北国家实验室的同事们用核磁共振波谱分析了POP-FAMEs，以证明难以捉摸的环丙烷环的存在。桑迪亚国家实验室的合作者使用计算机模拟来估计这些化合物与传统燃料相比的表现。
模拟数据表明，POP候选燃料在室温下安全稳定，经过化学处理后的能量密度值将超过50兆焦耳每升。普通汽油每升的热量为32兆焦耳，而最常见的喷气燃料JetA和常用的煤油火箭燃料RP1的热量约为35兆焦耳。
在他们的研究过程中，研究小组发现他们的POP-FAMEs在结构上非常接近于一种名为Syntin的实验性石油基火箭燃料，这种燃料由苏联航天局在20世纪60年代开发，在70年代和80年代用于几次成功的联盟号火箭发射。尽管Syntin性能强大，但由于成本高和过程不愉快(包括一系列有毒的副产物和不稳定的、爆炸性的中间产物)，它的生产被叫停。
“尽管POP-FAMEs与Syntin有着相似的结构，但许多都拥有更高的能量密度。更高的能量密度允许更低的燃料体积，这在火箭中可以允许增加有效载荷和减少总体排放，”作者亚历山大·兰德拉说，他是桑迪亚的一名工作人员科学家。研究小组的下一个目标是创造一种去除每个分子上两个氧原子的方法，这两个氧原子会增加重量，但不会促进燃烧。“当将POP-FAMEs混合到航空燃料中时，适当的脱氧版本可能会提供类似的好处，”Landera补充说。
自从发表了他们的概念证明论文以来，科学家们已经开始进一步提高这种细菌的生产效率，以产生足够的燃料进行燃烧测试。他们还在研究如何修改多酶产生途径，以产生不同长度的多环丙烷分子。Sundstrom说:“我们正在努力调整链的长度，以针对特定的应用。“长链燃料是固体燃料，非常适合某些火箭燃料的应用，短链可能更适合航空燃料，中间可能是一种柴油替代分子。”
作者科琳·斯考恩是JBEI的技术经济分析主任，她补充说:“当涉及到航空和火箭技术时，能量密度是一切，这是生物学真正可以发光的地方。该团队可以根据我们在这些快速发展的领域的应用需求定制燃料分子。”
最终，科学家们希望将这一过程改造成一种主要的细菌菌株，可以从植物垃圾食物来源(如不可食用的农业残渣和为预防野火而清除的刷子)中产生大量的POP分子，有可能制造出最终的碳中性燃料。
谁想进行环保的太空旅行?
这项工作得到了美国能源部科学办公室和能源效率和可再生能源办公室的支持。JBEI是一个科学办公室生物能源研究中心。
Journal Reference:
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Pablo Cruz-Morales, Kevin Yin, Alexander Landera, John R. Cort, Robert P. Young, Jennifer E. Kyle, Robert Bertrand, Anthony T. Iavarone, Suneil Acharya, Aidan Cowan, Yan Chen, Jennifer W. Gin, Corinne D. Scown, Christopher J. Petzold, Carolina Araujo-Barcelos, Eric Sundstrom, Anthe George, Yuzhong Liu, Sarah Klass, Alberto A. Nava, Jay D. Keasling. Biosynthesis of polycyclopropanated high energy biofuels. Joule, 2022; DOI: 10.1016/j.joule.2022.05.011
