在銀白楊和大齒楊雜交種的葉組織中，科學(xué)家們成功表達(dá)了阿魏酰輔酶A轉(zhuǎn)移酶。在這種酶的幫助下，植物能更容易地被用于生物燃料的生產(chǎn)。圖片來源：C. G. Wilkerson, et al. （2014）Science.
在過去的一個(gè)世紀(jì)，人類對化石燃料的開發(fā)和利用極大地推動(dòng)了社會(huì)的發(fā)展。但由于面臨能源需求持續(xù)增長、原油價(jià)格不斷上漲以及化石燃料的使用導(dǎo)致的全球溫室效應(yīng)等重大問題，開發(fā)可再生、可持續(xù)的生物能源迫在眉睫。
在遇到能源危機(jī)和提出生物能源利用的概念以前，人類使用植物纖維素已有上萬年的歷史了，我們使用它制作衣物、制造紙張和飼養(yǎng)牲畜。現(xiàn)在，科學(xué)家再次將目光聚集在纖維素上——這種自然界中含量最多的多糖有望為解決能源問題貢獻(xiàn)力量。日前，一項(xiàng)由威斯康星大學(xué)麥迪遜分校生物化學(xué)系教授約翰·拉爾夫（John Ralph）負(fù)責(zé)的研究，在利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)改造原料植物，使之更易于投入生產(chǎn)方面有了重大突破。研究論文4月4號(hào)發(fā)表在《科學(xué)》（Science)上[1]。
植物纖維素大多嵌入在植物組織復(fù)合體中，而這個(gè)復(fù)合體中還大量存在著給纖維素使用造成困難的酚醛聚合物——木質(zhì)素（lignin）[2]。木質(zhì)素是一類酚類次生代謝產(chǎn)物，在植物體內(nèi)行使重要的生理功能，但它能影響纖維素水解酶分解纖維素，甚至是吸附聚集這些酶，使得酶解過程難以進(jìn)行，極大影響生物燃料的生產(chǎn)。難以分解的酚醛聚合物木質(zhì)素還成為了造紙生產(chǎn)的主要污染物，而引入反應(yīng)條件劇烈且成本高昂的木質(zhì)素預(yù)處理環(huán)節(jié)，必然使得整個(gè)行業(yè)的發(fā)展受到影響。同時(shí)，它的存在還會(huì)降低飼料被牲畜消化吸收的效率。
在過去的幾十年中，研究工作者們一直致力于通過改造植株中的木質(zhì)素組成，來降低其對工業(yè)生產(chǎn)和畜牧造成的影響。是否能通過改造得到自身合成易于處理或消化的木質(zhì)素的植株，成為整個(gè)纖維素利用領(lǐng)域的關(guān)鍵[3]。拉爾夫和同事發(fā)現(xiàn)，當(dāng)歸等植物可以產(chǎn)生一種叫做阿魏酸的物質(zhì)，阿魏酸鹽可以在植物合成木質(zhì)素過程中“混進(jìn)”木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)中，并在本來很穩(wěn)定的高分子長鏈中帶入一個(gè)相對容易斷裂的酯鍵，使得原本看似“堅(jiān)不可摧”的木質(zhì)素有了“軟肋”。
阿魏酸與木質(zhì)素作用示意圖。圖上方的鏈條代表普通的木質(zhì)素，下方的鏈條代表經(jīng)過改造后植物合成的木質(zhì)素。圖片來源：C. G. Wilkerson, et al. （2014）Science.
此研究通過提取當(dāng)歸的總RNA，克隆得到了能夠幫助植物自身在木質(zhì)素合成時(shí)加入阿魏酸的相關(guān)基因FMT（編碼阿魏輔酶A轉(zhuǎn)移酶），并把該基因轉(zhuǎn)入到楊木的基因組中。“我們也用過擬南芥這種更易于轉(zhuǎn)化入外源基因的模式植物來進(jìn)行檢驗(yàn)。但我們希望使用真正能提供大量生物質(zhì)的植物，以產(chǎn)出足夠的材料，來在各種不同的處理?xiàng)l件下進(jìn)行真正的測試。作為模式植物，楊樹能很好地滿足這些要求。”拉爾夫告訴果殼網(wǎng)。轉(zhuǎn)入FMT基因的轉(zhuǎn)基因楊木，在外觀上與正常野生株上沒有明顯區(qū)別。但通過對木質(zhì)取樣并使用高效液相色譜檢測，研究者發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)入了合成及轉(zhuǎn)運(yùn)阿魏酸基因的楊木，合成的木質(zhì)素中含有阿魏酸，這意味著人為加入的基因能夠成功表達(dá)對應(yīng)蛋白，并且這些蛋白可以發(fā)揮預(yù)期的功能。
木質(zhì)素單體與阿魏酸鹽偶聯(lián)的生物合成流程圖。圖片來源：C. G. Wilkerson, et al. （2014）Science.
FMT酶能夠?qū)⑽乎］o酶A與木質(zhì)素單體偶聯(lián)，最終將阿魏酰輔酶A連入木質(zhì)素長鏈。而隨之被帶入多聚物內(nèi)的、易于斷裂的酯鏈，使得木質(zhì)素的裂解處理過程容易很多。研究發(fā)現(xiàn)，使用6.25毫摩爾的氫氧化鈉，90℃處理3小時(shí)后，木質(zhì)素含量就減少到滿足進(jìn)行后續(xù)工業(yè)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)，而目前常用的處理溫度是160-200℃。因此，使用改進(jìn)后的楊木木料進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)，可以大大減少木質(zhì)素處理環(huán)節(jié)的技術(shù)難度和能源成本。
早期的研究者將阿魏酸加入木質(zhì)素的愿望，在拉爾夫的研究中得到了實(shí)現(xiàn)。這使得進(jìn)一步改造和設(shè)計(jì)易于利用纖維素和木質(zhì)素的植物的設(shè)想成為了可能。接下來，“我們今年希望對這些轉(zhuǎn)基因材料做不同的處理測試，并進(jìn)行一些實(shí)際比較，希望拿到這方面的數(shù)據(jù)。不過現(xiàn)在，它還不能直接投入生產(chǎn)。”拉爾夫向果殼網(wǎng)透露。我們有理由相信，在不久的將來，轉(zhuǎn)基因植物將在新能源中扮演日益重要的角色。
