袁 凌

（美國(guó)肯塔基大學(xué)植物與土壤系，Lexington，Kentucky40546）

生物能源是從生物材料中得到的可再生能源。今天“生物能源”是一個(gè)時(shí)髦的詞，我們常常把它和“新穎”或“高科技”等詞聯(lián)系起來(lái)。其實(shí)，人類很早以前就在使用生物能源了。古代中國(guó)人就已經(jīng)用棉花籽油來(lái)點(diǎn)燈。生物能源作為工業(yè)已經(jīng)有很長(zhǎng)的歷史。在19世紀(jì)誕生的美國(guó)寶潔公司（Procter&Gamble）就是靠用棉花籽油來(lái)生產(chǎn)蠟燭和肥皂而起家的。更原始一點(diǎn)的生物能源就是燒木取暖，這與人類的歷史一樣久遠(yuǎn)。生物能源之所以可以再生是因?yàn)樯铮貏e是植物和微生物，能夠把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成有機(jī)能源并儲(chǔ)存起來(lái)，隨著生物的再生，生物能源也就再生了。

生物能源怎么好像消失后又時(shí)髦起來(lái)了？原因是傳統(tǒng)的生物能源抵擋不住礦物能源的沖擊。20世紀(jì)初，電燈的出現(xiàn)把寶潔公司弄慘了，因?yàn)橄灎T不再是生活日用品。過(guò)去幾十年，石油和煤為主要能源，但是這些不能再生的能源現(xiàn)在開始面臨著斷源和環(huán)境污染等問(wèn)題。今天的生物能源已不再用于燈油或蠟燭?？梢哉f(shuō)，今天的生物能源可以取代石油和煤來(lái)生產(chǎn)大量人類需要的產(chǎn)品。因此，生物能源又時(shí)髦起來(lái)了。但是時(shí)髦與實(shí)用往往有差距。據(jù)美國(guó)能源部數(shù)據(jù)，目前生物能源（包括巴西蔗糖和美國(guó)淀粉糖生產(chǎn)的酒精）的生產(chǎn)成本比中東石油要高2～5倍。生物能源還面臨著產(chǎn)品單一性的問(wèn)題。石油工業(yè)的成功不僅僅是因?yàn)樗o了我們汽油和柴油，它還給了我們塑料、化肥和很多其他產(chǎn)品。我們今天穿的、吃的、住的和用的產(chǎn)品大多數(shù)是從石油來(lái)的。而甘蔗和淀粉只給了我們一個(gè)主要產(chǎn)品——酒精。因此，生物能源工業(yè)要有競(jìng)爭(zhēng)性，就必須產(chǎn)品多樣化。

當(dāng)今生物能源的研究和發(fā)展主要圍繞著降低成本和產(chǎn)品多樣化?，F(xiàn)在生物能源的生產(chǎn)不但成本高而且效率低。拿酒精生產(chǎn)作為一個(gè)例子，在美國(guó)一般每棵玉米只長(zhǎng)一個(gè)玉米穗，也就幾百粒玉米。為了生產(chǎn)酒精，這些玉米粒會(huì)被用來(lái)提取淀粉，然后把淀粉分解成糖，再用糖去發(fā)酵來(lái)得到酒精。在這個(gè)過(guò)程中，整棵玉米的其他成分，比如玉米稈和葉子，都被扔掉了。在植物生長(zhǎng)和光合作用過(guò)程中，大多數(shù)的能源是儲(chǔ)存在莖稈和葉里的（如纖維素和木質(zhì)素），這一部分的能源在酒精生產(chǎn)中就被浪費(fèi)了。即使在發(fā)酵過(guò)程中，每1個(gè)淀粉分解成的6碳糖中也只有4個(gè)碳可以合成酒精，另外2個(gè)碳變成二氧化碳釋放出來(lái)了，也就是說(shuō)，1/3的碳被浪費(fèi)掉了。蔗糖用于發(fā)酵也受到同樣的限制。這樣低的轉(zhuǎn)換效率對(duì)于任何工業(yè)都是不可想象的。說(shuō)到酒精，它只是一種過(guò)渡性的生物燃料，早晚要被淘汰掉。酒精的弱點(diǎn)在于它的內(nèi)燃能量低而且不能用管道輸送。淀粉酒精工業(yè)的另一個(gè)問(wèn)題是它直接與糧食競(jìng)爭(zhēng)，一定程度上引起了食品價(jià)格的提高。新一代的生物能源生產(chǎn)將包括降解和利用木質(zhì)纖維素，并且能合成非酒精類的其他燃料或材料（比如塑料）。然而，要達(dá)到這些目標(biāo)我們面臨著許多挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)跨越生物、化學(xué)、物理、工程、經(jīng)濟(jì)和法律等多個(gè)學(xué)科。

天然的木質(zhì)纖維素是很難降解的，從而保證了植物能在自然環(huán)境中獨(dú)立生存。目前，木質(zhì)纖維素有效的降解方式包括使用酸堿溶液或高溫蒸汽，這些方法既帶來(lái)了污染也消耗了能源（用能源來(lái)生產(chǎn)能源，聽起來(lái)就不合理?。瑢?lái)的解決方法很可能是用生物酶（一種催化反應(yīng)的蛋白質(zhì)）。淀粉降解工業(yè)就經(jīng)歷過(guò)類似的改進(jìn)。早期的淀粉降解也是使用化學(xué)和物理方法，今天已經(jīng)改成用酶了，因?yàn)槊傅男矢叨椅廴旧?。但是酶是一種大分子物質(zhì)，這使它很難進(jìn)入到木質(zhì)纖維素里面去催化降解；另外，酶有很高的專一性，因此要降解成分復(fù)雜的木質(zhì)纖維素就需要多種不同的酶。在應(yīng)用上，降解木質(zhì)纖維素需要多于10種不同的酶。而從工業(yè)角度看，使用多種酶就要增加生產(chǎn)成本。

1 新一代多功能酶可以減少降解酶的數(shù)量

如何減少用酶的數(shù)量，對(duì)我們搞蛋白工程的人是一種有趣的挑戰(zhàn)。國(guó)際上很多實(shí)驗(yàn)室正在研究新的策略。我的肯塔基大學(xué)實(shí)驗(yàn)室采用的手段是設(shè)計(jì)與合成多功能酶（multifunctional enzymes），也就是一個(gè)酶蛋白具有多種酶的功能。如果一個(gè)酶有3個(gè)酶的作用，那工業(yè)酶的數(shù)量就會(huì)減少到1/3，等于降低70%酶的成本。怎么去設(shè)計(jì)這樣的多功能酶呢？其實(shí)我們的設(shè)計(jì)原理存在于自然。不少的微生物可以合成多功能酶，一些多功能酶（比如cellulosomes）類似于子彈夾，可以把多顆子彈聯(lián)在一起；另一些多功能酶含有多個(gè)功能域（functional domains），好象一把瑞士軍刀（瑞士軍刀是一種最典型的多功能工具，它的刀把連著多種特殊的工具）。酶的功能域是酶蛋白中一種具有特殊功能的專一結(jié)構(gòu)，它們的作用包括識(shí)別底物或催化反應(yīng)。每個(gè)天然的蛋白都有一個(gè)或多個(gè)功能域，當(dāng)我們把來(lái)自不同酶的功能域人工地結(jié)合起來(lái)，我們就創(chuàng)造了一種新的、類似于瑞士軍刀的多功能酶。當(dāng)然，設(shè)計(jì)和合成這樣的酶并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的過(guò)程。在實(shí)驗(yàn)室里，我們用多種基因克隆的手段，加上計(jì)算機(jī)模型的協(xié)助來(lái)合成一些新的基因，這些基因可以在微生物或植物細(xì)胞里表達(dá)并產(chǎn)生多功能酶蛋白。然后我們要分析這些新的酶，例如，與個(gè)體父本酶的混合劑比較，一個(gè)新的多功能酶是否有同樣的功能和活性。在蛋白工程中，我們經(jīng)常面臨種種挑戰(zhàn)，比如，如何保證重組蛋白基因的表達(dá)，還有維持蛋白穩(wěn)定性和活性等等。盡管如此，在過(guò)去幾年里，我們還是成功地合成了一些多功能酶（圖1）。這些人造酶含有高達(dá)5個(gè)功能域，并且都有很高的穩(wěn)定性和活性[1-4]，能夠在細(xì)菌和植物里合成。直接把這些降解酶基因在植物細(xì)胞里表達(dá)，可以在分解木質(zhì)纖維素的過(guò)程中減少甚至不用外加工業(yè)酶。這不僅可以減少降解酶基因的數(shù)目，還可以減少植物轉(zhuǎn)基因的難度。

2 天然酶不一定都能用于工業(yè)生產(chǎn)

不少天然的酶有良好的功能，但是它們還是不能被有效地應(yīng)用于木質(zhì)纖維素的糖化作用（saccharification）。這是因?yàn)樵诠I(yè)糖化過(guò)程中，產(chǎn)物（這里指的是單糖或多糖）的濃度會(huì)很高，而在酶催化作用中，高產(chǎn)物濃度往往會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)物抑制（product inhibition）。也就是說(shuō)，酶的產(chǎn)物會(huì)反過(guò)來(lái)抑制酶的活性。其后果是隨著糖化過(guò)程的進(jìn)行和產(chǎn)物濃度的提高，酶的活性會(huì)迅速地降低，糖化作用也因此停止。近幾年，我的肯塔基大學(xué)實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)農(nóng)業(yè)部的2個(gè)實(shí)驗(yàn)室合作來(lái)解決產(chǎn)物抑制的問(wèn)題，所采用的手段是蛋白定向進(jìn)化（directed protein evolution）[5]。定向進(jìn)化是利用自然進(jìn)化的原理在實(shí)驗(yàn)室里對(duì)1個(gè)基因或整個(gè)基因組進(jìn)行快速的突變和選擇，進(jìn)而得到符合目標(biāo)的后代。我們對(duì)一個(gè)木糖苷酶（xylosidase）進(jìn)行了改良；首先合成了大量的酶突變體，然后測(cè)定這些酶突變體在很高產(chǎn)物濃度中的活性，以選擇可以在很高產(chǎn)物濃度中還保持活性的突變體。在大約6 000個(gè)突變體中，我們篩選到了3個(gè)抗產(chǎn)物抑制的突變體，其中一個(gè)的抗抑制能力提高了3倍[6-7]。我們的工作證明了蛋白工程可以改良降解酶在工業(yè)過(guò)程中的效應(yīng)。

3 誰(shuí)說(shuō)煙草公司的公子和石油集團(tuán)的公主不能生個(gè)好小子？

在今天的社會(huì)里，“煙草”和“石油”2個(gè)詞總給人們一點(diǎn)反面和消極的感覺。想象一下煙草和石油聯(lián)姻會(huì)更令人擔(dān)心。但是，如果將來(lái)有一天我們生產(chǎn)的煙草不再導(dǎo)致煙霧騰騰，而能擠出汽油，“煙草”一詞聽起來(lái)就會(huì)香一點(diǎn)。我們能用煙草生產(chǎn)汽油嗎？2012年美國(guó)能源部給了由加州大學(xué)幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室和我的實(shí)驗(yàn)室組成的一個(gè)團(tuán)隊(duì)五百萬(wàn)美金的資助來(lái)回答這個(gè)問(wèn)題。我們首先看看石油是怎么來(lái)的，石油是由大量埋在地下的生物（主要是浮游低等動(dòng)物和藻類）經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的高溫高壓而形成，這些低等生物中有一種能大量生產(chǎn)汽油主要成分的葡萄藻（Botryococcus）。近年來(lái)，一些控制葡萄藻油料合成的基因已被分離出來(lái)。葡萄藻盡管可以生產(chǎn)油類，但它本身的生長(zhǎng)卻極其緩慢，不適合用于工業(yè)生產(chǎn)。我們的目標(biāo)是把葡萄藻的油物合成代謝途徑轉(zhuǎn)移到植物里，這樣就可以利用植物的光合作用來(lái)生產(chǎn)汽油了。那我們?cè)倏纯礊槭裁匆脽煵荩繜煵莸闹饕煞质侨~片，它的葉表面積比其他作物要大，光合作用的能力也較強(qiáng)。另外，用煙草生產(chǎn)能源不會(huì)與食物生產(chǎn)直接競(jìng)爭(zhēng)。煙草的新用途將使這個(gè)有害的農(nóng)作物變成有益的經(jīng)濟(jì)作物。但是，單單把葡萄藻的油類合成途徑搬到煙草還不夠，我們的目標(biāo)還要轉(zhuǎn)移大量的光合作用合成的碳?xì)浠衔锏接土仙a(chǎn)上。我們計(jì)劃用基因工程來(lái)達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，同時(shí)還要提高植物光合作用的效率，相信能夠把煙草改變成一種新的能源作物。

這里我以自己的研究工作為例來(lái)介紹生物能源研究的一些動(dòng)向。今天世界上還有許多非常優(yōu)秀的科學(xué)家在為生物能源進(jìn)行出色的研究工作。一些新的方向包括：（1）一步合成（consolidated bio-processing）。把木質(zhì)纖維素降解和生產(chǎn)能源的發(fā)酵過(guò)程合二為一，以降低生產(chǎn)的成本和時(shí)間。（2）跨界轉(zhuǎn)移。把植物界或動(dòng)物界的代謝途徑轉(zhuǎn)移到微生物，反之亦然，因而建立獨(dú)特和高效的生產(chǎn)平臺(tái)。（3）繼續(xù)發(fā)現(xiàn)和合成新的高能化合物。（4）加快對(duì)生物氫氣合成、收集和儲(chǔ)存的研究。（5）第2代生物能源工業(yè)化。如果把淀粉或蔗糖生產(chǎn)的酒精稱為第1代生物能源，一些以上提及的第2代生物能源已經(jīng)到了建立試驗(yàn)性工廠的發(fā)展階段。（6）探索法律及管理問(wèn)題?？蒲泻图夹g(shù)的發(fā)展是飛速的，相比之下法律和管理往往顯得很被動(dòng)。

生物能源已經(jīng)不再是基礎(chǔ)科學(xué)研究，它是人類生存和社會(huì)持續(xù)發(fā)展的一部分，也創(chuàng)造了投資和就業(yè)的機(jī)會(huì)。

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