美國(guó)能源部聯(lián)合生物能源研究所(JBEI)和勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(伯克利實(shí)驗(yàn)室)的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新的酶，可以微生物生產(chǎn)石油基甲苯的可再生替代品，石油基甲苯是汽油中廣泛使用的辛烷值增強(qiáng)劑。擁有每年2900萬(wàn)噸的全球市場(chǎng)。

伯克利實(shí)驗(yàn)室資深科學(xué)家兼JBEI科學(xué)負(fù)責(zé)人哈里貝勒領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)研究結(jié)果于周一發(fā)表在“自然 - 化學(xué)生物學(xué)”雜志上。其他主要合著者是JBEI的Andria Rodrigues和Kamrun Zargar。

JBEI以及更廣泛的生物燃料研究人員的研究重點(diǎn)是從可再生資源(如木質(zhì)纖維素生物質(zhì))而非石油生產(chǎn)工業(yè)和商業(yè)相關(guān)的燃料和化學(xué)品。在這項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)的酶將使第一次微生物生產(chǎn)生物基甲苯，事實(shí)上，第一次微生物生產(chǎn)任何芳烴生物燃料。

酶的發(fā)現(xiàn)源于對(duì)產(chǎn)生甲苯的兩種非常不同的微生物群落的深入研究。一個(gè)社區(qū)包含來(lái)自湖泊沉積物的微生物，另一個(gè)來(lái)自污水污泥。由于環(huán)境中的微生物是催化一系列極其多樣的化學(xué)反應(yīng)的酶庫(kù)，因此從事生物技術(shù)的科學(xué)家從自然界中提取酶并不罕見。

在閱讀了20世紀(jì)80年代的文獻(xiàn)報(bào)告后，貝勒有動(dòng)力研究生物基甲苯，這些報(bào)告揭示了缺氧湖泊沉積物中的微生物甲苯生物合成。盡管自那時(shí)以來(lái)有許多關(guān)于細(xì)菌甲苯生產(chǎn)的報(bào)道，但催化這種具有生物化學(xué)挑戰(zhàn)性的反應(yīng)的酶的特性幾十年來(lái)一直是個(gè)謎。

在該研究中發(fā)現(xiàn)的甲苯合成酶苯乙酸脫羧酶屬于稱為甘氨?；?GRE)的酶家族?？茖W(xué)家們?cè)?0世紀(jì)80年代才開始認(rèn)識(shí)到GRE，而苯乙酸脫羧酶只是自那時(shí)以來(lái)已發(fā)現(xiàn)和表征的第八種已知的GRE反應(yīng)類型。然而，在JBEI研究和其他研究中提出的宏基因組學(xué)證據(jù)表明，在自然界中存在更多尚未被表征的GRE。

GRE的自由基性質(zhì)允許它們催化化學(xué)挑戰(zhàn)性反應(yīng)，例如苯乙酸的厭氧脫羧以產(chǎn)生甲苯。除了潛在的生物技術(shù)應(yīng)用之外，許多已知的GRE與人類健康相關(guān)并且發(fā)生在人體腸道微生物組中。

該項(xiàng)目的酶發(fā)現(xiàn)過(guò)程具有挑戰(zhàn)性和非常規(guī)性。研究人員首先開始研究報(bào)告制造甲苯的細(xì)菌物種，但當(dāng)這些報(bào)告似乎不可再生時(shí)，科學(xué)家們轉(zhuǎn)向環(huán)境生產(chǎn)甲苯 - 特別是城市污水和缺氧湖沉積物。

“所有酶發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目都具有挑戰(zhàn)性。但從單一細(xì)菌物種的發(fā)現(xiàn)，到污水污泥或湖泊沉積物在復(fù)雜微生物群落中的發(fā)現(xiàn)，更難以達(dá)到數(shù)量級(jí)，”貝勒說(shuō)。“這項(xiàng)研究成為了一個(gè)大海撈針，在數(shù)十萬(wàn)種酶的候選池中尋找產(chǎn)甲苯酶。”

事實(shí)上，宏基因組分析顯示，這些微生物群落各自包含超過(guò)300,000個(gè)基因 - 相當(dāng)于超過(guò)50個(gè)細(xì)菌基因組。另一個(gè)挑戰(zhàn)是厭氧微生物群落及其許多酶對(duì)氧氣敏感，迫使科學(xué)家在嚴(yán)格厭氧條件下操縱培養(yǎng)物和酶。

這一發(fā)現(xiàn)過(guò)程結(jié)合了生物化學(xué)家?guī)资陙?lái)使用的蛋白質(zhì)純化技術(shù)，如快速蛋白質(zhì)液相色譜，現(xiàn)代宏基因組學(xué)，元蛋白質(zhì)組學(xué)和相關(guān)的生物信息學(xué)分析，其中一些與美國(guó)能源部科學(xué)辦公室聯(lián)合基因組研究所合作開展。用戶設(shè)施。發(fā)現(xiàn)過(guò)程的一個(gè)重要組成部分是通過(guò)使用涉及純化蛋白質(zhì)的高度可控測(cè)定的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證研究人員對(duì)甲苯生物合成酶的預(yù)測(cè)。

這項(xiàng)研究引發(fā)的一個(gè)有趣的問(wèn)題是：為什么細(xì)菌會(huì)產(chǎn)生甲苯?研究人員沒(méi)有明確的答案，但在論文中提出了兩個(gè)假設(shè)。一種可能性是細(xì)菌產(chǎn)生甲苯作為毒素以在其環(huán)境中競(jìng)爭(zhēng)其他微生物。另一個(gè)假設(shè)是苯乙酸脫羧酶(產(chǎn)生甲苯)反應(yīng)提供了細(xì)菌在某種酸性發(fā)酵環(huán)境中調(diào)節(jié)其內(nèi)部pH的策略。

貝勒和他的同事認(rèn)為他們的研究結(jié)果對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)都有影響。從生物化學(xué)的角度來(lái)看，該研究擴(kuò)展了已知的GRE催化范圍，從生物技術(shù)的角度來(lái)看，它將使得可再生資源的芳烴燃料碳?xì)浠衔锸状紊铣伞?/p>

“我們對(duì)細(xì)菌的非凡代謝多樣性有很多了解，”貝勒說(shuō)。“通過(guò)進(jìn)化，自然界已經(jīng)設(shè)計(jì)出可以催化難以發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)的酶，正如我們發(fā)現(xiàn)的那樣，我們可以將它們用于生物技術(shù)。”