嗜热菌让纤维素降解更高效

嗜热菌让纤维素降解更高效能源李静 2012-09-27 09:44:38全新的GH61家族和氧化还原酶在纤维素的降解过程中同样发挥着 关键作用。利用酶解法生产纤维素乙醇曾被业界寄予厚望。这种方法是在酶制剂 催化作用下，将秸秆、玉米芯等农业废弃物中的纤维素转化为葡萄糖 等单糖，再由酵母菌发酵为乙醇。与玉米乙醇相比，纤维素乙醇具有 原料来源广、不与人争粮等优点，因此相关研发和生产试验已在世界 范围内广泛开展。然而，由于原料预处理难度大，缺乏经济高效的 酶制剂，纤维素乙醇至今未能实现商业化生产。诺维信(Novozymes)自2000年起开始研发用于生产纤维素乙醇的 酶制剂。2009年，诺维信推出第一款标准化的复合纤维素酶Cellic CTec。2010年，诺维信推出赛力二代(Cellic CTec2)，将生产每 加仑纤维素乙醇所需酶制剂的成本降至50美分。2012年，赛力三代(Cellic CTec3)投放市场，为纤维素乙醇的商业化生产又添一份希 望。诺维信表示，相对于赛力二代，赛力三代的转化效率提高了 50%。 与此同时，其对温度、酸碱度以及一些抑制剂的适应性也有所增强。 据诺维信中国区亚洲能源项目经理吴桂芳介绍，“一般的酶解反应需 要控制在4050C进行，而赛力三代在5055C也能保持效力。酶 制剂性能的提升，使得纤维素乙醇生产过程中其他工段的成本也随之 下降，从而将在理想工艺下生产纤维素乙醇的成本由每加仑2.5美元 降至2美元。”中国科学院天津工业生物技术研究所副所长马延和表 示，由于原料预处理成本高、酶制剂用量大、糖化效率低，糖醇转化 率低等原因，目前纤维素乙醇的生产成本多在80009000元/吨。诺维信中国区研发中心总监吴文平博士向麻省理工科技创业详细 介绍了纤维素酶研发的进展及趋势。科技创业：我们注意到，诺维信研究人员曾对两个嗜热菌进行基 因组学比较研究，并将结论发表在2011年的自然生物技术(Nature Biotechnology )上。赛力三代的温度适应性有所提高， 是否与嗜热菌研究相关？吴文平：有关系。嗜热真菌及其产生的高效率木质纤维素降解酶是这 个领域的研究热点，诺维信的真菌基因组工作就是围绕嗜热菌进行 的。过去的两三年中，我们几十种百余株的嗜热真菌进行了全基因组 测序，试图寻找更有效的木质纤维素降解酶。已发表的文章描述了两个具有代表性的嗜热菌。一般的真菌的生长温度上限约为35C,而 这两个嗜热真菌在4055C下生长得最好。实验数据表明它们产的许 多酶热稳定性好、活力高，在高温(60-70C)下水解效率更高。同 时它们产的木质纤维素酶种类非常多，可将秸秆中绝大部分种类的纤 维素和半纤维素完全降解。这些特点使得它们成为很好的研究对象 这个菌为什么产这么多种类的纤维素酶？哪些是最关键的酶？ 这些酶在木质纤维素降解中是如何协同作用的？找到这些问题的答 案将有助于我们开发出更有效的纤维素酶。在这两菌生长时，给它们饲喂不同的食物，它们产的酶及其组分会十 分不一样，对此展开的蛋白质组和转录组学研究具有重要意义。赛力 三代(CellicCTec3)以及未来的酶制剂与这两个嗜热菌都会有一定 关系。我们业内合作伙伴、竞争对手的研究方向也是类似的。CL gfobosii m-*- M.的304050W7DTemperature (=CJO诺维信在研究中发现，嗜热菌(黄色和橙色)有两个生产糖类的温度高峰。(图片来源:Nat Biotechnol. 2;29(10):922-7. doi:10.1038/nbt.1976.v)提高酶制剂对温度的适应性为什么能降低纤维素乙醇的生产成本?一般情况下，随着温度上升，酶的水解效率也会提高。相应地，水解 时间得以缩短，或者酶的加量减少，都能促使成本下降。另一方面， 缩短水解时间可以减少对设备的占用量，从而减少工厂的设备投资。这是两个带给客户的直接好处。对纤维素和木质素降解的生化机理是否有新的发现？我们对这些机理有很多新的认识，尤其是蛋白质组学方面的。纤维素 和木质素的降解不像我们之前想的那么简单，而且越是研究越觉得复 杂。在降解机理方面我们取得了两个突破，首先是发现了一个全新的 与木质纤维素降解有关的酶一一GH61家族，它们在木质纤维素的水 解中起着关键作用。与其他纤维素酶的机制不同，这个GH61分子不 但能够直接对纤维素产生作用，同时它还能破坏一些抑制剂，促使其 他纤维素酶发挥更高效力。另外，之前我们将研究重点都放在纤维素酶上，但我们现在发现一些 新的酶系，如氧化还原酶，在纤维素的降解中也发挥着重要作用。诺维信的研究人员解出了 GH61家族成员的分子结构。其中，铜原子（黑球）在催化过程中起到了重要作用。图片来源：Protein Data Bank（ID： 3ZUD）氧化还原酶对纤维素的降解有什么作用? 目前还不够明确。2010年的时候我去参加一个学术会议，会上有位 学者是专门研究纤维素降解机理的，他利用近20年的时间专门研究 一个纤维素降解细菌是如何降解纤维素的。他把降解的过程比作“突 破马其顿防线”，需要远程导弹和近距离导弹并用。氧化还原酶起着 远程导弹的作用，它能疏松纤维素原本紧密的结构，类似于用大刀切 一遍。纤维素酶则相当于近距离导弹，作用于被氧化还原酶疏松粉 碎过的纤维素的特定位点。诺维信的研究在某种程度上验证了这位学 者的理论。基于这些新的发现，纤维素酶的研发策略以及工艺设计会做哪些相应 的调整？我觉得会有几个大的转变，但都会围绕着提高酶的效率和降低纤维素 乙醇的生产成本方面。在提高酶的效力方面，利用大自然赐予我们的 真菌宝库，寻找能够进一步促进现有产品效率的新酶分子，添加到酶 系里面，从而提高酶的效率，降低酶的加量和使用成本；在酶生产技 术上，重组技术将发挥更重要的作用。在确定最佳纤维素酶的组分之 后，用引进工程菌的方式将这些基因导入有效的工程菌株，或者改造 菌株使之提高产量，从而降低每公斤酶的生产成本；随着更广泛的生 物质资源和不同的纤维素乙醇生产工艺的开发，要求我们在开发新酶 方面必须与工艺开发商和生产商进行密切的合作，做到量身定做，从 而开发出更有效的纤维素酶。有观点认为借助酶制剂实现纤维素乙醇的商业化生产很难，例如科 学美国人的副主编大卫别洛(David Biello)就曾在2011年撰写 了生物能源：瓶颈与希望一文。他认为“即使是超级酶，分解纤 维素也会很慢，因为生物相互作用需要时间才能起效，要大规模生产 很难。”也许无论怎么改进，酶的效率存在极限。一些原本生产纤维 素乙醇的公司也不再把乙醇作为主要产品了，而是改变工艺，将来自 纤维素的糖转化为工业化工用品。相对于生产燃料，纤维素酶在精细 化工行业的前景是否更为乐观?我倒不这么认为。在过去十多年里，有关纤维素降解的研究工作形成 了一个“糖平台”的概念通过纤维素酶来做糖，再加工成各种生物 化工产品、氨基酸、食品等。糖的应用更加广泛了，纤维素生物质行 业也由此更加广阔。至于生物质燃料在成本上的可行性一一酶制剂方面我们已经取得很 大的突破，如果能把这个成本继续降低更好，这也是我们不断推出更 高效的酶制剂的原因。把生物质做成乙醇是个很复杂的过程，效率方 面会有一些问题，但是有很多工程、物理、化学方面的公司致力于工 艺优化，把过去多年在预处理、发酵、蒸馏方面取得的成就整合在一 起，今后会有越来越多的成熟工艺问世。我觉得有几家公司已经具备 能力提供“交钥匙工程”这样的设计了。在未来12年内，我们会在美 国、欧洲、中国、巴西等不同的地方看到几个具有商业化规模（年产 酒精万吨级）的2代燃料乙醇工厂正式投产。