加利福尼亞州沃爾但克里克 - 全國的可再生燃料標(biāo)準(zhǔn)要求到2022年每年生產(chǎn)360億加侖生物燃料。實現(xiàn)這一目標(biāo)的最大障礙之一在于優(yōu)化分解植物生物量然后將其轉(zhuǎn)化為多步驟的多步驟過程?？砂l(fā)酵的糖，可以提煉成燃料，滿足我們的運輸需求。為了克服這一挑戰(zhàn)，美國能源部支持了幾個項目，重點是識別真菌和微生物的酶，如纖維素酶 - 分解植物細(xì)胞壁 - 和耐熱的工業(yè)強度宿主細(xì)胞系統(tǒng)，以驅(qū)動這些反應(yīng)。

目前用于生物燃料生產(chǎn)的許多纖維素酶來源于在20°C-35°C(68°F-95°F)的溫度下茁壯成長的物種，其溫度為室溫至接近體溫。在這些溫度下的轉(zhuǎn)化過程需要時間，在此期間污染物會降低最終產(chǎn)量。為了加快轉(zhuǎn)化過程，研究人員建議提高溫度，這反過來要求酶在當(dāng)前工作條件下穩(wěn)定。他們現(xiàn)在似乎走在了正確的軌道上。

10月2日在線發(fā)表于自然生物技術(shù)，包括DOE JGI在內(nèi)的國際科學(xué)家團(tuán)隊研究人員比較了土生梭孢霉和嗜熱毀絲霉的成熟基因組，這些真菌在45°C以上的高溫環(huán)境中茁壯成長，其酶活性在40℃以下因此，°C至75°C可用于加速(從而改善)生物燃料生產(chǎn)過程。

“熱穩(wěn)定酶和嗜熱細(xì)胞工廠可以在生產(chǎn)許多化學(xué)品和生物質(zhì)燃料方面提供經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，”包括DOE JGI真菌基因組學(xué)負(fù)責(zé)人Igor Grigoriev以及來自加州戴維斯市Novozymes的長期合作者Randy Berka的團(tuán)隊寫道。和加拿大康考迪亞大學(xué)的Adrian Tsang。由于這些已發(fā)表的基因組代表了第一個完全用于絲狀真菌的基因組，他們補充說，這些信息將有助于改善菌株以及簡化有益和有害突變的鑒定。

嗜熱毀絲霉的3870萬堿基對(Mbp)基因組和T. terrestris的36.9 Mbp基因組，首先描述的嗜熱真核生物，編碼大量分解生物質(zhì)材料的酶。“嗜熱真菌是眾所周知的堆肥生物，它們作為耐熱酶儲存器的用途是在幾十年前建立的，”Berka指出。“這兩種嗜熱生物可以被認(rèn)為是關(guān)于其碳水化合物活性酶(CAZymes)及其降解植物多糖的能力的通用分解劑。”

還在代表在各種溫度下的兩個主要開花植物組的原料上測試了真菌酶的功效。研究人員發(fā)現(xiàn)，與其他真菌纖維素酶相比，嗜熱毀絲霉和T. terrestris中的酶已經(jīng)進(jìn)化到有效分解并在很寬的溫度范圍內(nèi)將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為單糖。“由于這些嗜熱菌在分解纖維素生物質(zhì)方面比其他纖維素降解劑更有效，因此它們的酶可能比已知的纖維素酶更具活性和/或它們已經(jīng)開發(fā)出新的生物質(zhì)降解策略，”Tsang建議道。

該團(tuán)隊的一項研究結(jié)果來自比較分析，其中涉及兩種嗜熱真菌中一種糖苷水解酶家族的擴大規(guī)模，與更熟悉的(已經(jīng)測序的)真菌里氏木霉相比。由于水解是簡單的可發(fā)酵糖從多糖中釋放出來的化學(xué)反應(yīng)，研究人員認(rèn)為這種擴展“可能已經(jīng)演變成一種改變的生物多糖解構(gòu)策略，與其他物種如里氏木霉相比。”根據(jù)這些結(jié)果，研究人員得出結(jié)論，嗜熱毀絲霉和T. terrestris對大規(guī)模生物燃料生產(chǎn)非常有用。

“這些嗜熱真菌代表了生物精煉廠的優(yōu)良宿主，其中生物質(zhì)被轉(zhuǎn)化為生物燃料，作為現(xiàn)代煉油廠的替代品，”格里戈里耶夫說。“這些生物體不僅可以提供廣譜的耐熱酶，而且還可以提供新的酶，并且可以針對工業(yè)流程進(jìn)行優(yōu)化，這一事實對于對現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行重大改進(jìn)具有很大希望。”

美國能源部聯(lián)合基因組研究所在美國能源部科學(xué)辦公室的支持下，致力于推進(jìn)基因組學(xué)研究，以支持與清潔能源生產(chǎn)，環(huán)境特征描述和清理相關(guān)的DOE任務(wù)。總部位于加利福尼亞州Walnut Creek的DOE JGI提供集成的高通量測序和計算分析，使基于系統(tǒng)的科學(xué)方法能夠應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。