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生物燃料产量低怎么破?小小藻类成大帮手!
来源:DeepTech深科技   发布者:左丽媛   日期:2017-06-27   今日/总浏览:3/2440

想让大自然的生物们自愿为我们提供燃料?想多了!它们为了生长与生存,总是会将自己摄取的能量变成很多东西,像脂肪、蛋白质、DNA什么的。但是对于生物燃料来说,重点差不多只在它们的脂肪上面。因为脂肪本身就是长链的碳氢化合物,与我们平常用的液体燃料的结构已经是非常的相近。告诉你个秘密,脂肪变身成生物柴油其实很容易哦!

生物燃料产量低怎么破?小小藻类成大帮手!

那,怎么才能让这些生物们乖乖地听我们的话来为我们产燃料呢?现在主要有两种方法:第一种是拿种我们很了解的生物,用基因工程的方法让它们代谢出我们想要的东西;第二种方法就是找到那些天生就能满足我们需求的生物。

针对这两种方式,有些人们灵光一现,将这两宗方法结合到了一起。合成基因组公司(Synthetic Genomics)的研究员们在大自然中发现了一种藻类,这种藻类会在你通过“断饭”来阻挠它生长时产生大量的脂肪(你们有考虑过它的感受吗!)。并且,在使其饥饿的过程中,科学家们还发现并改变了它一个重要的生长调节机制。经过基因修改过后的藻类可以在继续生长的过程中持续产生大量的脂肪,是不是很厉害!

了解这种藻类

这款厉害的真菌就是单细胞的海洋富油微拟球藻(Nannochloropsis gaditana)。它有两种特别适合产出生物燃料的特性;首先,这种真菌完全适应含盐水体,这就会让生物柴油在生产过程中省下珍贵的淡水资源;其次,它会自然产出大量的脂肪(大部分是三酰基甘油脂)。当科学家们不让其摄入基本营养素---氮的时候,它会产生饥饿反应,将自己摄取的能量转换成脂肪贮藏起来。这些油脂最后竟然会达到细胞净重的60%!

只不过,阻挠这种微拟球藻生长的方式总不是一个可持续的办法。照这样下去,这些微拟球藻总是会被用尽的。为了达到相当的脂肪产量,研究员们尝试了好长时间来寻找一种不需要阻碍其生长的方式,但是一直苦于没有能从基因层面上来改变微拟球藻的工具,同时,由于对其饥饿反应过程的不了解,他们也不知道该去改变它们的哪些特性。

重点来了!合成基因组公司研究员们的新成果正是一一对应了以上的难题。首先,他们成功的在微拟球藻实现了CRISPR/Cas技术的应用。CRISPR/Cas是一种可以编辑基因的技术,它可以任意改变甚至替代任何基因。与此同时,研究员们也在研究饥饿反应是怎么被激发的。他们得出结论,其基因对饥饿反应的影响是在完全切断氮元素的五小时以内,因为在五小时后,微拟球藻脂肪的代谢发生了明显的变化。有这个结论,他们将目光放在了三小时之内,并果然发现了那些控制饥饿反应的基因。

他们一共列出了20种有影响的基因,并会使用CRISPR抹去其中的18种。

模拟饥饿反应

这次的研究收获颇丰,在前文提到的18种基因中,有一种基因完全的满足了研究员们的预想,它叫ZnCys基因。如果将这一基因抹除,其在非饥饿状态下积攒脂肪的速率会是正常生长情况下的三倍!可惜,这一方式还是会阻挠其生长,导致球藻生长越来越慢,最后的总产出量还不如正常生长情况下的。

但是,研究员们总是能想到方法。他们没有和这个基因正面对决,而是在ZnCys周围的基因组里来寻找可以影响它的因素。他们发现,周围的基因组控制着蛋白质产量的输出,所以如果控制了蛋白质的输出,就可以制造出活性减少,但没有完全被抹除的弱化版ZnCys。为了测试这一方法,研究员们制造了三种新的球藻,并将每种的ZnCys活性分别减少20%,50%,和70%来进行对比。

总的来说,三种弱化版本的基因都起到了成效,虽然在不正常生长情况下的产出量还是低了一些,但是其差值也只有5%-15%。而且,虽然微拟球藻的细胞总量变少了,但是它们合成了大量的碳,并转化出了两倍多的油脂。更加重要的是,这是一种可持续的方法,只要一天之内转换成生物燃料的细胞不超过整体的70%,就不会出现前文所说用尽的情况。

更加精细的研究表明,弱化版本的ZnCys减少了其他基因摄入氮元素的能力。即便氮元素在周边的环境中存在,微拟球藻的细胞也不会摄取太多,这也是该方法成功的原因之一,因为它们正处于“半饥饿状态”。

理想和现实的差距还是蛮大的,合成基因组公司本预想会找到一种可以在不影响氮摄入的情况下,能完全操控饥饿反应的基因,所以说他们对ZnCys基因的发现可能会有些失望的吧。

不管怎么说,研究的成果还是十分喜人,它展示了微拟球藻摄取氢元素的机制。其余的很多基因还不是很确定会不会对油脂产出造成明显影响,研究员们还在进一步的探究在氮元素减少的情况下,有哪些机制会发生进一步的变化。

不过,现在研究员们有了一个可以以双倍速率产出生物燃料的方法,这照比他们刚开始的时候,那还是高到不知道哪里去了。

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