大自然已經(jīng)明白了，如何最好地將食物分解為燃料。現(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)趕上了，表明在山羊，馬和綿羊的腸道中發(fā)現(xiàn)的真菌也可以幫助填滿你的油箱。研究人員在2月18日的“ 科學(xué) ”雜志上報告稱，這些厭氧腸道真菌的表現(xiàn)與工業(yè)設(shè)計的最佳真菌一樣，能夠?qū)⒅参锊牧限D(zhuǎn)化為易于轉(zhuǎn)化為燃料和其他產(chǎn)品的糖類。加州大學(xué)圣巴巴拉分校的主要作者兼化學(xué)工程教授Michelle O'Malley說：“大自然已經(jīng)將這些真菌設(shè)計成具有世界上最大的分解生物質(zhì)的酶譜庫。”

這些酶 - 由蛋白質(zhì)制成的工具共同作用來分解頑固的植物材料。研究人員發(fā)現(xiàn)，這些真菌可以將它們的酶調(diào)整為木材，草，農(nóng)業(yè)廢棄物，或任何科學(xué)家為它提供的。研究結(jié)果表明，工業(yè)可以改變腸道真菌，使它們產(chǎn)生更好的酶，其性能將超過最好的酶，可能導(dǎo)致更便宜的生物燃料和生物基產(chǎn)品。

為了做出這一發(fā)現(xiàn)，O'Malley利用了兩個美國能源部科學(xué)辦公室(SC)用戶設(shè)施：太平洋西北國家實驗室環(huán)境分子科學(xué)實驗室和美國能源部聯(lián)合基因組研究所。O'Malley的研究是第一個由兩個設(shè)施合作的結(jié)果，這兩個設(shè)施名為Facilities Integrating Collaborations for User Science或FICUS。該合作伙伴關(guān)系使世界各地的科學(xué)家能夠利用SC用戶設(shè)施的能力，更全面地了解基礎(chǔ)科學(xué)問題。O'Malley的團(tuán)隊還包括來自PNNL，DOE JGI，麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)的博士學(xué)院以及哈珀亞當(dāng)斯大學(xué)的科學(xué)家。

“通過利用相應(yīng)設(shè)施的RNA測序和蛋白質(zhì)表征能力，我們以不可能的方式進(jìn)行先進(jìn)的生物燃料研究，”DOE JGI用戶計劃副代表Susannah Tringe說。“這個合作計劃的建立是為了鼓勵并使研究人員能夠更輕松地將多個用戶設(shè)施的專業(yè)知識和能力整合到他們的研究中.FICUS提供一站式購物方式，以便獲得迅速成為合作模式的技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施。”

除了最新的組學(xué)技術(shù)和跨大陸團(tuán)隊之外，如果沒有最不起眼的物質(zhì)，這些發(fā)現(xiàn)是不可能的。

大便鏟

公司希望將生物質(zhì)如木材，藻類和草類轉(zhuǎn)化為燃料或化學(xué)品。問題：在植物細(xì)胞壁中發(fā)現(xiàn)的復(fù)雜分子基質(zhì) - 木質(zhì)素，纖維素和半纖維素 - 結(jié)合起來形成鋼筋混凝土的生物等效物。當(dāng)工業(yè)無法分解這種生物質(zhì)時，他們會用熱量或化學(xué)物質(zhì)對其進(jìn)行預(yù)處理。或扔掉它。這兩種選擇都會增加成品的成本。

許多農(nóng)場動物可以毫不費力地分解這些相同的分子，這激發(fā)了研究團(tuán)隊的研究。他們的搜索始于圣巴巴拉動物園和馬薩諸塞州的一個馬廄，在那里他們收集山羊，馬和羊的糞便。樣品越新越好，因為這個稗子還有生物量食真菌的活標(biāo)本。

作為世界上第一個含有細(xì)胞核的單細(xì)胞生物，厭氧腸道真菌自恐龍發(fā)生之前就已存在?？茖W(xué)家們早就知道它們在幫助食草動物消化植物方面發(fā)揮了重要作用。一個原因與一些真菌的蜂群行為有關(guān)。當(dāng)真菌繁殖時，它們釋放出許多帶有尾狀附屬物的孢子，稱為鞭毛。這些嬰兒真菌像蝌蚪一樣游來游去，在腸道里找到新的食物。然后他們將尾巴換成稱為菌絲的根狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以挖掘植物材料。然后葉子成為食物。

O'Malley和她的同事都知道真菌的菌絲會分泌出被稱為酶的蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)可以分解植物材料。與工具箱中的工具一樣，酶越多樣化，真菌就越能將植物分解并轉(zhuǎn)化為食物。如果工業(yè)可以利用這種工具箱利用真菌，它可以更有效地分解原始生物質(zhì)。

“盡管它們具有令人著迷的生物學(xué)特性，但厭氧腸道真菌很難分離和研究，”EMSL的生物系統(tǒng)動力學(xué)與設(shè)計科學(xué)主題負(fù)責(zé)人Scott Baker說。“通過利用EMSL和JGI的尖端科學(xué)能力，O'Malley展示了厭氧腸道真菌酶的巨大目錄如何促進(jìn)生物燃料生產(chǎn)。”

為了找到這個獎項，研究團(tuán)隊需要一張地圖。好吧，兩張地圖。因此，他們帶著一勺便便，深入了解腸道真菌。

真菌是作物的精華

在科學(xué)家手中，腸道真菌產(chǎn)生的酶列表是釋放其生物燃料生產(chǎn)潛力的第一步。像修道院中僧侶一樣復(fù)制宗教文本，信使RNA分子轉(zhuǎn)錄了制造蛋白質(zhì)所需的遺傳信息，包括酶。因此，DOE JGI對幾種腸道真菌的mRNA進(jìn)行測序，得出它們的轉(zhuǎn)錄組，它代表了它們可以制造的所有可能的蛋白質(zhì)。

O'Malley將這一努力與從其作品中重新組裝地圖進(jìn)行了比較，但卻沒有看到完整的畫面。由于并非所有蛋白質(zhì)都是酶，研究人員需要與另一種蛋白質(zhì)交叉檢查。進(jìn)入EMSL，研究人員在那里創(chuàng)建了第二張地圖，該地圖確定了真菌實際產(chǎn)生的酶。這種所謂的蛋白質(zhì)組的作用就像地標(biāo)一樣，與JGI的地圖相匹配，突出了轉(zhuǎn)錄組中的生物量降解酶。

JGI和EMSL的地圖共同指出腸道真菌可以產(chǎn)生的寶庫。與工業(yè)品種相比，腸道真菌可以生產(chǎn)數(shù)百種酶，其中大約有100種酶。值得注意的是，這種真菌可以更好地分解木材中的半纖維素，稱為木聚糖。當(dāng)科學(xué)家將真菌的飲食從金絲雀草改為糖時，真菌通過改變它產(chǎn)生的酶來應(yīng)對。換句話說，真菌可以在飛行中更新他們的酶庫。

“因為腸道真菌有更多的工具可以將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為燃料，它們可以更快地工作，并可以更多種植物材料。這將為生物燃料行業(yè)帶來許多機(jī)會，”O'Malley說，他的研究由美國資助。能源部科學(xué)辦公室，美國農(nóng)業(yè)部和協(xié)作生物技術(shù)研究所。此外，O'Malley還獲得了生物和環(huán)境研究計劃中DOE科學(xué)早期職業(yè)獎。

O'Malley將于3月24日在加利福尼亞州核桃溪舉行的DOE JGI第11屆能源與環(huán)境基因組會議上展示她的發(fā)現(xiàn)。