圣路易斯华盛顿大学的研究人员发现了一种训练微生物以制造易于使用的生物燃料的新方法。
一个由生物学家和工程师组成的团队改造了一种称为沼泽红假单胞菌TIE-1 (TIE-1)的微生物，使其仅使用三种可再生且天然丰富的来源成分即可生产生物燃料：二氧化碳、太阳能电池板产生的电力和光。
由此产生的生物燃料正丁醇是一种真正的碳中性燃料替代品，可与柴油或汽油混合使用。结果于 11 月 3 日发表在通讯生物学杂志上。
该研究由艺术与科学生物学副教授Arpita Bose领导，并由她的实验室成员和华盛顿大学麦凯维工程学院的工程师共同撰写。
“微生物已经进化出一系列令人眼花缭乱的技术来从周围环境中获取营养，”博斯说。“也许这些喂养技术中最迷人的一种使用微生物电合成 (MES)。在这里，我们利用微生物的力量将二氧化碳转化为可用生物燃料中的增值多碳化合物。”
该研究的第一作者是麦凯维工程学院能源、环境与化学工程系博士研究生白伟。白博士于 2015 年至 2020 年在 Bose 艺术与科学实验室担任研究助理。白现在是Amyris的科学家，这是一家使用合成生物学制成的可持续成分制造商。
“我们制造的燃料正丁醇具有高能量含量，并且在不燃烧的情况下蒸发或溶解在水中的可能性很小，”白说。“与常用的生物燃料乙醇相比，这一点尤其正确。”
通过微生物电合成供养的微生物将自身直接附着在 MES 反应器内带负电的阴极上，这样它们就可以“吃”电。Bose 实验室之前的研究有助于阐明诸如 TIE-1 之类的微生物如何使用电子来固定二氧化碳，以及如何使用它们来制造可持续的生物塑料。
Bose 说，随着科学家对这些微生物的了解越来越多，它们的潜在用途越来越有希望，尽管她承认在将这些技术应用于工业规模之前需要进行改进。
生产可持续的生物燃料
其他研究人员此前曾探索过利用蓝藻等微生物来生产可持续的生物燃料。然而，这些类型的生物在光合作用过程中会产生氧气，这往往会限制它们合成生物燃料的效率，因为生物合成途径中涉及的许多酶对氧敏感。
为了探索如何利用 TIE-1 来生产生物燃料，Bai 和 Bose 构建了一种不能固氮的微生物突变形式。然后，科学家们将人工正丁醇生物合成途径引入到这个新的突变体中。
当氮气是唯一的氮源时，他们构建的微生物形态无法生长。因此，该版本的 TIE-1 将其努力用于生产正丁醇——在不显着增加电力消耗的情况下提高了生物燃料的产量。
“据我们所知，这项研究代表了使用太阳能电池板供电的微生物电合成平台生产生物燃料的首次尝试，其中二氧化碳直接转化为液体燃料，”白说。“我们希望它可以成为未来可持续太阳能燃料生产的垫脚石。”
“使用太阳能电池板产生的电力可以实现使用微生物电合成的生物塑料和生物燃料的工业规模制造，从而创造一个完全可持续的循环，”博斯说。
“美国和欧盟承认微生物电合成是可持续性和气候变化解决方案的关键技术，”博斯说。“最终，通过利用在遥远的过去进化出来的微生物代谢，我们希望能够出现新的方法来帮助解决我们这个时代一些最紧迫的问题。”
