2008年十大新兴技术之“纤维素酶”

2007年12月，美国总统布什签署了能源独立和安全法案，提出美国2020年的可再生燃料产量要达到现有水平的5倍，即每年达到360亿加仑。在这个总量中，产自农业废弃物、木屑和牧草的纤维素生物燃料预计将占到160亿加仑。如果该目标得以实现，那么汽油的消费量将能显著下降，从而减少温室气体排放及进口外国石油。
但这个雄心勃勃的计划面临的一个主要障碍是，还没有出现真正具有成本竞争力的纤维素生物燃料生产工艺。今天，美国生产的几乎所有乙醇都来源于玉米粒中的淀粉，这种淀粉很容易分解成经发酵后可制成燃料的糖。用廉价的原材料生产乙醇，需要一种有效方式释放纤维素的结晶链，这种链是植物重要的结构成分。加州理工大学化学工程和生物化学系教授、从事蛋白质研究的工程师弗朗西斯·阿诺德称，这正是目前纤维素生物燃料大规模商业化最昂贵的一个步骤。
阿诺德和其他科学家相信，更有效和更低廉地分解纤维素的关键就是更好的酶。阿诺德在过去20年间一直在设计从药品到污渍清洁剂所用的酶，她对找到更好分解纤维素的酶充满信心。
与无论是汽油还是玉米乙醇相比，纤维素燃料具有许多优势。举例来说，燃烧纤维素乙醇而非汽油，可消减汽车87%%的温室气体排放量，而玉米乙醇仅能消减18%%到28%%。纤维素也是地球上最丰富的有机物质。
但是，玉米淀粉转化为糖只需要一个单酶，而分解纤维素则需要一系列复杂的酶阵列（纤维素酶）一起工作。过去，曾用在真菌中发现的纤维素酶来进行分解工作，但实践证明这些纤维素酶的分解过程过于缓慢和不稳定。通过以新的方式混合这些纤维素酶或调整其氨基酸组分来提高性能的努力，也只是取得了适度的成功。研究人员已将每生产1加仑乙醇所用的纤维素酶的成本降至20美分到50美分，但是这个成本必须降至3美分到4美分，纤维素乙醇才能和玉米乙醇相竞争。
最终，阿诺德不只是想制作出更低廉、更高效的纤维素酶，她想要设计出可将糖发酵成生物燃料的纤维素酶。长期以来，研究人员的目标是找到一种“超级细菌”，它既能代谢纤维素和制成燃料，又能大幅降低纤维素生物燃料的生产成本。阿诺德表示，如果能够巩固这两个步骤，就能在整个生产工艺中获得降低生产成本的协同效应。
巩固这些步骤则需要纤维素酶工作在用于工业发酵过程的诸如酵母和细菌等健全的有机物中。这些纤维素酶必须具有稳定性和高活性，还须耐受高糖水平，并在存在污染的环境中发挥作用。此外，研究人员还必须能够生产出足够数量的有机物。这看起来似乎有些苛刻，但这些年来，阿诺德已经开发出一些新的工具来制作新型蛋白质。她开创了一项称为定向进化的技术，可创造出许多基因突变的特殊蛋白质。这些突变基因插入到微生物中，产生大量新蛋白质，然后就可进行特性筛选。
她的最新策略是利用计算机筛选法来快速确定数千个新的蛋白质序列。这种方法将比其他方法产生更多的序列变异，从而大大增加了创造出具有有用新属性功能分子的机会。
阿诺德正在利用该技术建立包含有数千个新纤维素酶基因的基因库。这样，研究人员就可以筛选纤维素酶以观察它们如何作为一种混合酶的一部分发挥作用，而如果用它们本身来进行测试的话，则很难了解它们作为一个整体是如何工作的。
为了最终实现能代谢纤维素并生产出生物燃料的超级细菌的目标，阿诺德正在和加州大学化学工程系教授詹姆斯·廖进行合作研究。廖教授最近合成了一种大肠杆菌，它能有效地将糖转化成与乙醇相比具有更高能量的生物燃料———丁醇。阿诺德希望能将她的新酶混合入廖教授可产生丁醇的微生物中。阿诺德在丹佛创立的一家称为Gevo的先创公司，已经获得廖教授的技术许可，将量产丁醇等先进生物燃料。
克服纤维素对分解的天然抵抗力，是最具挑战性的蛋白质工程问题之一。这个问题的解决，将有助于决定低排放生物燃料是否将永远成为化石燃料的可行替代品。