一种芳香的新型生物燃料

劳伦斯伯克利国家实验室,2012年03月22日

美国能源部联合生物能源研究中心（JBEI）的研究人员将大肠杆菌进行改造，利用葡萄糖合成大量的甲基酮化合物。在随后的测试中，发现这些甲基酮类具有较高的十六烷值——柴油分级标准（相对于汽油的辛烷值）——使其成为生产高级燃料强有力的候选原料。

JBEI负责该项研究的微生物学家Harry Beller称，“利用这种方法，通过相对少量的基因修饰，可以将大肠杆菌的甲基酮产量增加超过4000倍。”

高级生物燃料——由纤维素生物质（多年生草本植物和其他非粮食植物）以及农业废弃物生产的液体运输燃料——被视为汽油、柴油和喷气燃料的潜在替代品。同样被高度关注的还有这些燃料的合成过程，即通过微生物消化生物质，并将糖类转化为燃料分子。在JBEI，研究人员着重开发能够用于现在的发动机和分销基础设施的高级生物燃料。在前期的研究中，Beller及其同事利用特异的酶对大肠杆菌进行改造，从脂肪酸合成长链烯烃，然后变成柴油。脂肪酸是细菌和植物细胞中的高能分子，被誉为天然石油。

甲基酮类是一个多世纪前在芳香常绿植物芸草中发现的天然化合物。从那时起，它们被发现普遍存在于番茄和其他植物，还有昆虫以及微生物中。现今，它们被用作香精油中的香味剂以及奶酪和乳制品中的调味品。尽管野生大肠杆菌合成的甲基酮类实际上检测不到，但是Beller及其同事能够通过系统生物学工具（他们用于改造高脂肪酸产量的大肠杆菌时用到的）克服这种缺陷。

“对于甲基酮生产，我们对大肠杆菌进行了两步主要的修饰”，Beller称，“首先，我们改造了β-氧化中的特定步骤，β-氧化是大肠杆菌分解脂肪酸的代谢途径，然后扩增野生大肠杆菌FadM蛋白的表达。这两步修饰共同作用显著增强了甲基酮类的合成。”

Beller及其同事测试了两类甲基酮的十六烷值——十一烷酮和十三烷酮。在压缩点火过程中，十六烷值是点火延迟期的衡量指标；数值高表明点火延迟期短，而且比低数值更有利。在美国，柴油的十六烷值最低必须有40。十一烷酮的十六烷值是56.6。十一烷酮和十三烷酮1：1混合后的十六烷值是58.4。尽管成绩比较引人注目，但这些甲基酮类有相对高的熔点，这对于低温燃料性质是不利的。

“通过增加单不饱和甲基酮类的比例，能够缓解最优的大肠杆菌生产菌株的熔点问题，不饱和甲基酮类比其饱和同系物熔点低”，Beller称。

下一步，Beller及其同事的工作重点将是，通过调节甲基酮类的组成（链长度以及不饱和度）来增加其产量，并优化燃料性质。

“由于这些甲基酮类是脂肪酸衍生化合物，我们希望我们在增强微生物产量方面的进展能够应用于其他脂肪酸衍生生物燃料中”，Beller称。