化石燃料的使用會給大氣環(huán)境帶來極其嚴(yán)重的危害，如酸雨、霧霾、溫室效應(yīng)等?；剂系挠泻π燥@而易見，為什么人們還要持續(xù)地在工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域使用它呢？

很大程度是出于經(jīng)濟(jì)因素考慮。大到以政府為主導(dǎo)的能源網(wǎng)絡(luò)，小到生活中一些紡織品的生產(chǎn)和其他產(chǎn)品的制造。其所涉及的商品很多原料都取之于化石燃料，如果停止使用或全部替代它們，將會付出較大的經(jīng)濟(jì)代價。

于是科學(xué)家設(shè)想，假如人們可以找到一種低成本且高效的化石燃料替代品，或許有可能改善因燃料燃燒帶來的環(huán)境污染。

近日，太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室的生物學(xué)家提出，用一種高價值的化學(xué)物質(zhì)制備酵衣康酸，或可作為化石燃料衍生產(chǎn)品的替代物。

數(shù)據(jù)科學(xué)家尼拉杰·庫馬爾教授及其團(tuán)隊(duì)成員使用數(shù)據(jù)集成和超級計算來影響微生物的工程變化，進(jìn)而影響微生物的新陳代謝。基于之前大量的實(shí)驗(yàn)?zāi)M，該團(tuán)隊(duì)有望利用從過往樣本中得出的經(jīng)驗(yàn)批量地生產(chǎn)衣康酸。

數(shù)據(jù)集成和超級計算

科學(xué)家制備出化石燃料替代物

蓍果脂解酵母的不同培養(yǎng)基

自然界能找到生產(chǎn)衣康體的微生物并不容易，一方面品種很少有自然微生物在化工、能源、藥物領(lǐng)域能滿足不同的化學(xué)品需求;另一方面，自然微生物的經(jīng)濟(jì)利用價值也比較低。

因此，傳統(tǒng)的生物制造面臨很多瓶頸，能否找到可持續(xù)性的綠色方式制備替代燃料，提高環(huán)境和經(jīng)濟(jì)價值至關(guān)重要。

先不論化石燃料能否用完，或是人類因?yàn)榄h(huán)境問題停止使用化石燃料。單純假設(shè)化石燃料變得過于昂貴，在此條件下，世界經(jīng)濟(jì)和人口增長把對能源供應(yīng)要求提高到科技無法滿足的限度。

庫馬爾從合成生物學(xué)中獲得了新的靈感，嘗試?yán)梦⑸镒鳛榱畠r的生產(chǎn)材料制備衣康酸。

庫馬爾說：“我們需要確定衣康酸產(chǎn)生途徑中的哪些基因可以改變，哪些無法改變，我們可以輕松地估算這些酵母可以產(chǎn)生多少化學(xué)物質(zhì)。這項(xiàng)工作的最大挑戰(zhàn)在于，是否能找到細(xì)胞健康和生物生產(chǎn)之間的平衡。”

隨著合成生物學(xué)技術(shù)不斷獲得進(jìn)展和突破，細(xì)胞工廠的構(gòu)建能力有了很大提高，這讓快速制備各種化學(xué)品成為可能。科學(xué)家可以通過最優(yōu)合成途徑的設(shè)計、合成途徑的創(chuàng)建、合成途徑的優(yōu)化和細(xì)胞制備性能的提升4個方式來實(shí)現(xiàn)。

依托合成生物技術(shù)，科學(xué)家可以制備更多的高效細(xì)胞工廠，于是烯烴、生產(chǎn)長鏈醇等典型化學(xué)品燃料陸續(xù)問世。而衣康酸在可再生化學(xué)構(gòu)建模塊所具備的潛力，與化石燃料有關(guān)的產(chǎn)品可以被替代。2004年，衣康酸被美國能源部評價為“生物質(zhì)中附加值最高的化學(xué)品”之一。

RNA測序數(shù)據(jù)的計算預(yù)測與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合

衣康酸是由幾種真菌天然產(chǎn)生的，西北國家實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家戴子宇（音譯）借用了從其他真菌生物的基因，使脂溶耶氏菌能夠產(chǎn)生衣康酸這種化學(xué)物質(zhì)。

生物學(xué)家艾琳·布雷德維格對不同基因組合的改良酵母研究頗深。后來，庫馬爾找到她進(jìn)行合作，希望構(gòu)建出更加有效的衣康體。當(dāng)時，布雷德維格和她的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)制備出了一份改良酵母的代謝和蛋白質(zhì)組學(xué)剖面，然后把這些數(shù)據(jù)毫無保留地傳遞給庫馬爾。

根據(jù)“設(shè)計-建造-測試-學(xué)習(xí)”的策略，庫馬爾和他的研究助理安德魯·麥克諾頓利用機(jī)器學(xué)習(xí)來檢查這一特征，觀察哪些非必需基因可以從酵母中移除，哪些有用的基因可以進(jìn)一步添加，進(jìn)而達(dá)到增加衣康酸的產(chǎn)量的目的。

一旦他們選擇用基因來“設(shè)計”生物體，就可以立刻開始制備衣康體。根據(jù)庫馬爾和麥克諾頓的預(yù)測，他們在布雷德維格創(chuàng)造的不同版本酵母中添加或刪除了某些基因之后，發(fā)現(xiàn)RNA測序數(shù)據(jù)的計算預(yù)測與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。

布雷德維格表示：“目前，這項(xiàng)研究還處于早期階段，但是在未來它可以表現(xiàn)出很大的潛力。通過機(jī)器學(xué)習(xí)和科學(xué)家的推理可以解釋，用新的思路來思考酵母等復(fù)雜細(xì)胞系統(tǒng)如何對單個基因變化做出反應(yīng)，超出了僅通過新陳代謝建模的可能性?！?/p>

酵母和其他微生物雖然可以容易地生產(chǎn)像乙醇一樣的高產(chǎn)量化學(xué)品，但是也面臨著一些挑戰(zhàn)，庫馬爾希望將機(jī)器學(xué)習(xí)與代謝建模和多組學(xué)數(shù)據(jù)集相結(jié)合的系統(tǒng)運(yùn)用于實(shí)際生產(chǎn)中，攻克這一難題。 （綜合整理報道）（編輯/克珂）