據外媒報道，在一篇新論文中，研究人員提出了一種方法，以更有效地從草本植物材料（如玉米秸稈和一些草）生產生物燃料。這個新系統通過幫助酵母在工業毒素中存活，簡化了將植物糖分發酵成燃料的過程。
美國種植的玉米比任何其他作物都多，但只利用植物的一小部分來生產食物和燃料；一旦人們收穫了玉米粒，就會留下不可食用的葉子、莖稈。如果這種被稱為玉米秸稈的植物物質能夠有效地發酵成乙醇，那麼秸稈就可以成為一種大規模的可再生燃料來源。
懷特海研究所成員、麻省理工學院（MIT）生物學教授Gerald Fink說：“秸稈的產量巨大，與石油的規模相當。但要廉價地使用它們來製造生物燃料和其他重要的化學品，存在着巨大的技術挑戰。”因此，年復一年，大部分的玉米秸稈被留在田裡腐爛。
現在，Fink和麻省理工學院化學工程教授Gregory Stephanopolous在麻省理工學院博士后研究員 Felix Lam的領導下進行的一項新研究提供了一種更有效地利用這種未充分利用的燃料來源的方法。通過改變普通酵母模型–麵包酵母Saccharomyces cerevisiae–周圍的生長介質條件，並添加一種毒素破壞酶的基因，他們能夠使用酵母從木質玉米材料中製造乙醇和塑料，其效率與典型的乙醇來源接近。
多年來，生物燃料行業一直依靠酵母等微生物將玉米粒中的糖類葡萄糖、果糖和蔗糖轉化為乙醇，然後與傳統汽油混合，為我們的汽車提供燃料。
玉米秸稈和其他類似材料也充滿了糖分，其形式是一種叫做纖維素的分子。雖然這些糖也可以轉化為生物燃料，但由於植物緊緊抓住它們，將纖維素分子以鏈的形式捆綁在一起，並將它們包裹在稱為木質素的纖維分子中，所以更加困難。打破這些堅硬的外殼，分解糖鏈，會產生一種化學混合物，對傳統的發酵微生物來說是一種挑戰。
為了幫助生物體的發展，乙醇生產廠的工人用酸性溶液對高纖維素材料進行預處理，以分解這些複雜的分子，使酵母能夠進行發酵。然而，這種處理方法的一個副作用是產生了一種叫做醛的分子，這種分子對酵母是有毒的。研究人員過去曾探索過不同的方法來減少醛類的毒性，但考慮到整個過程需要接近於零的成本，解決方案是有限的。Lam說：“這是為了製造乙醇，這實際上是我們燃燒的東西。它必須是非常便宜的。”
面對這一經濟和科學問題，工業界已經削減了從富含纖維素的材料中製造乙醇的工作。麻省理工學院教授Gregory Stephanopoulos說：“這些毒素是以低成本生產生物燃料的最大限制之一。”
為了解決毒素問題，研究人員決定把重點放在加入酸以分解堅硬分子時產生的醛類上。“我們不知道醛類攻擊微生物的確切機制，所以接下來的問題是，如果我們並不真正知道它攻擊的是什麼，我們如何解決這個問題？”Lam說。“所以我們決定用化學方法將這些醛類轉化為酒精形式。”
該團隊開始尋找專門將醛類轉化為醇類的基因，並找到了一個名為GRE2的基因。他們對該基因進行了優化，通過一個稱為定向進化的過程使其更加有效，然後將其引入通常用於乙醇發酵的酵母，即釀酒酵母。當帶有進化的GRE2基因的酵母細胞遇到醛類物質時，它們能夠通過粘附額外的氫原子將其轉化為酒精。
由此產生的高水平的乙醇和其他由纖維素產生的酒精在過去可能會構成一個問題，但在這一點上，Lam過去的研究開始發揮作用。在Lam、Stephanopoulos和Fink 2015年的一篇論文中，研究人員開發了一個系統，使酵母對各種酒精的耐受性更強，以便用更少的酵母生產更多的燃料。該系統涉及測量和調整酵母生長介質中的pH值和鉀的水平，這將化學地穩定細胞膜。
通過將這種方法與他們新改良的酵母結合起來，“我們基本上將醛問題引向了酒精問題，我們以前也曾研究過這個問題，”Lam說。“我們改變並解毒了醛類，使其成為我們知道如何處理的形式。”
當他們測試該系統時，研究人員能夠有效地從玉米秸稈、雜草和其他類型的植物物質中製造乙醇甚至塑料前體。”Fink說：“我們能夠用我們的系統生產出每單位材料的高量乙醇。這表明，對於從富含纖維素的植物材料中製造燃料時出現的化學和經濟問題，這有很大的潛力，可以成為一個具有成本效益的解決方案。”
擴大規模
當涉及到在全美範圍內實施替代燃料時，替代燃料來源往往面臨挑戰；例如，電動汽車需要一個全國性的充電基礎設施，以便成為燃氣汽車的一個可行的替代品。
研究人員的新系統的一個基本特徵是，基礎設施已經到位；乙醇和其他液體生物燃料與現有的汽油車兼容，因此幾乎不需要改變汽車車隊或消費者的加油習慣。他說：“現在（美國）每年生產約150億加侖的乙醇，所以它是大規模的。這意味着有數十億美元的資金和價值數十年的基礎設施。如果你能插入這些基礎設施，你就能更快地進入市場。”
玉米秸稈只是高纖維素材料的眾多來源之一。其他植物，如小麥秸稈和水曲柳可以極其便宜地種植。“現在這個國家的纖維素的主要來源是玉米秸稈，”Lam說。“但是如果對纖維素有需求，因為你現在可以以可持續的方式製造所有這些基於石油的化學品，那麼希望農民會開始種植水曲柳，以及所有這些超級密集的秸稈。”
在未來，研究人員希望調查用這些抗毒素基因改造酵母的潛力，以創造多樣化的生物燃料類型，如可用於典型燃料燃燒發動機的柴油。Lam說：“如果我們能夠將這一系統用於其他燃料類型，我認為這將在解決諸如船舶和重型機械等部門的問題上發揮巨大作用，這些部門由於沒有其他電動或非排放的解決方案而繼續造成污染。”