炼酒精的微生物军团

  随着社会经济的发展，人们对能源的需求日益增加。人类目前使用的化石能源是一种不可再生资源，地球存贮的化石能源有限。而且化石能源产生的温室气体二氧化碳的排放和甲烷泄露，可造成全球变暖。生物能源是“碳中性”（所谓“碳中性”，是指能源在生产及使用过程中达到二氧化碳排放平衡。）的可再生能源，植物通过光合作用，利用太阳能、吸收二氧化碳合成自身所需要的有机物质。在地球上，那些生长迅速、易于存活的多年生草本科植物（含有大量的木质纤维素），则是最佳的生物能源材料，而如何有效的利用生物能源，已经成为科学家面临的蕴含着机遇的挑战。
传统的工艺可以将这些含有大量木质纤维素的非粮食作物加工为酒精，必须经过三步（如图1）：
1、使用物理化学方法对其进行前处理。
2、通过酶处理进行水解生成可发酵的单糖或寡糖。
3、发酵生产酒精。
后来为了降低成本，减少繁琐的处理步骤，科学家们研制出第一代整合生物加工工艺CBP技术（如图1），将酶处理和发酵进行整合，利用单一微生物或混合菌群对木质纤维素进行降解后发酵。为了提高效率，节约成本，美国佐治亚大学研制出第二代整合生物加工工艺CBP技术，这项技术直接省去了前处理步骤，经过对一株降解木质纤维素的细菌进行遗传改造，不仅能够把生物质纤维素转化成糖，还能把糖转化成燃料酒精。

该研究人员发现虽然热纤梭菌(Clostridium thermocellum)作为一代CBP技术的元老，但是却不能降解半纤维素，而且也不能对其进行改造提高燃料酒精的产量。
而另外一株极端嗜热纤维素降解厌氧菌（Caldicellulosiruptor bescii)是一株极端耐热的纤维素降解菌，最适温度在80℃左右，可以直接降解含有纤维素、半纤维素、木质纤维素的植物生物质，绕过了昂贵的物理、化学前处理，但是不能大量生产燃料酒精。
于是科学家们就想把两株菌株进行改造和整合，利用极端嗜热纤维素降解厌氧菌(C. bescii)的耐高温的纤维素降解能力和热纤梭菌(C. thermocellum)发酵生产燃料酒精的能力，进行了遗传整合和改造。
两种菌株就像是两家“企业”，为了获取更大的利润，每家企业拿出自己的核心技术，进行强强联合，取长补短，从而获取更大的利益链条。
在极端嗜热纤维素降解厌氧菌(C. bescii)中（A企业），整个家族企业的基础比较雄厚，C. bescii中含有很多即耐高温而又高效的纤维素酶、半纤维素酶、木质素酶，他们能够在高温环境中将富含高纤维素植物的纤维素、半纤维素、木质素降解为多糖和单糖，从而积累了更多的原材料。但是由于C. bescii最终只能生产乳酸而无法获得酒精。因此科学家们想对其进行遗传改造，阻断乳酸的生产途径，而添加一条生产酒精的途径。
在另一株热纤梭菌(C. thermocellum)中（B企业），它具有生产酒精的能力，因此可以将该菌中生产酒精的途径转移到C. bescii中。
为了获得可以直接将木质纤维素转化成酒精的遗传改造菌株，因此科学家们对细菌做了一个“小手术”，方案设计如下（如图）：

1.将极端嗜热纤维素降解厌氧菌(C. bescii)中（A企业）生产乳酸的途径阻断（敲除乳酸脱氢酶基因ldh），让大量的原材料和能量用于其他途径或者目的产品（酒精）的生产。
2.为了让极端嗜热纤维素降解厌氧菌(C. bescii)（A企业）获得生成酒精的能力，因此将热纤梭菌(C. thermocellum)中（B企业）合成酒精的途径转移到C. bescii中（A企业）（即将C. thermocellum菌的乙醛脱氢酶/乙醇脱氢酶基因adhE放到C. bescii菌中大量表达，行使生产酒精的能力），从而完成对C. bescii 菌株的遗传改造，使C. bescii菌株获得了本身没有的能力---生产酒精。
如上所述，科学家们试图改造极端嗜热纤维素降解厌氧菌C. bescii，把糖发酵生产酒精的能力加入到这种能够把木质纤维素转换成糖的细菌中。因此这种经过遗传改造的C. bescii菌株可以直接通过执行从植物生物质原料开始的乙醇生产全阶段，可能有助于绕过昂贵的化学和酶生物质预处理。
这个技术突破为纤维素乙醇的产业化带来一线曙光，但依然面临许多挑战，如最终两家“企业”的整合是否会成功上市，会不会出现“消化不良”的问题，因为菌株经过遗传改造，必然要经历一段时间的动荡，只有相互磨合和适应才能将性状稳定下来。其次产率是否能达到预计结果，会不会增加额外的成本，等等？让我们拭目以待。