一提到合成生物学总能让人联想到点石成金、变废为宝等词汇，诚然，合成生物学能够以绿色合成的途径实现很多高价值化合物的生产，比如青蒿素、花青素、白藜芦醇等等，而且制造周期短、产量高，可以说合成生物学应用前景相当广阔。
近日，一篇发表在 Nature Chemistry 上题为 “A dual cellular–heterogeneous catalyst strategy for the production of olefins from glucose” 的论文引发了业内普遍关注 —— 研究人员在实验室利用大肠杆菌成功合成了烯烃。
图｜论文截图（来源：Nature Chemistry）据了解，这项研究由纽约州立大学布法罗分校的 Zhen Q. Wang 和加州大学伯克利分校的 Michelle C.Y. Chang 共同领导。研究小组把大肠杆菌进行基因改造，使其可以将葡萄糖转化为 3 - 羟基脂肪酸的化合物，为了完成转化，研究人员使用了五氧化二铌（Nb2O5）作为催化剂，在化学过程中去掉了脂肪酸中不需要的部分，生成最终产物 —— 烯烃。
烯烃，是一种含有碳碳双键的碳氢化合物，同时它也是构成汽油的几种分子之一。除此之外，烯烃还有很多非生物燃料应用，是有机合成中的重要基础原料，比如用于工业润滑剂、制聚烯烃和合成橡胶等。
实验原理机制方面，研究人员使用新的迭代硫解酶家族对微生物菌株进行基因工程改造，该菌株可从葡萄糖中生产 4.3 ± 0.4 g/L 脂肪酸，其中，86% 被捕获为 3 - 羟基辛酸和 3 - 羟基癸酸。这种 3 - 羟基取代基充当离去基团，在路易斯酸性催化剂上实现烯烃产物的多相串联脱羧 - 脱水途径，而无需简单脂肪酸的酶促或化学脱氧所需的额外氧化还原输入。
图｜论文截图（来源：Nature Chemistry）当然，研究过程也并非一帆风顺。为了确定了酶和催化剂，研究小组通过反复测试了大量不同的分子。“我们把生物学能做得最好的东西和化学能做得最好的东西结合起来，创造了这两个步骤，可以直接用葡萄糖制备烯烃。” 研究人员表示。
目前，这项研究的产出物是烯烃，然而烯烃在汽油分子中只占一小部分，对此，该论文一作、纽约州立大学布法罗分校的王真表示，接下来团队的开发工艺可能会进行调整，以产生其他类型的碳氢化合物，包括汽油的一些其他成分等。
想要实现产业化，这项研究面临的首要挑战便是生产烯烃过程中的能源消耗问题。如果能源成本太高，则需要优化该技术才能在工业规模上使用。王真指出，目前的这项试验大约需要 100 个葡萄糖分子才能生产 8 个烯烃分子。想要提高投产比，重点在于诱导大肠杆菌在消耗葡萄糖时产生更多的 3 - 羟基脂肪酸。所以，这项研究成果距离实现产业化还有一段路要走。
图｜实验研究（来源：buffalo.edu）
这项研究创新开发出 “两步平台法”，使用双细胞 - 多相催化策略，将微生物发酵工程与多相催化技术进行了融合。生物催化和化学催化的结合能够带来包括提高产率、降低成本等诸多优势，为创造可持续生物燃料开辟出新的途径。
使用葡萄糖等可再生资源制造生物燃料在推进绿色能源技术方面有巨大潜力，堪称是现代版的 “炼金术”。值得一提的是，这项研究得到了美国国家科学基金会、Camille 和 Henry Dreyfus 环境化学博士后项目，以及纽约州立大学研究基金会的资助。
参考资料：
[1] Wang, Z.Q., Song, H., Koleski, E.J. et al. A dual cellular–heterogeneous catalyst strategy for the production of olefins from glucose. Nat. Chem. (2021).
[2] http://www.buffalo.edu/news/releases/2021/11/021.html
