“生物燃料”是什么？

來自加拿大約克大學和法國馬賽第一大學的研究人員近日在一項研究成果上取得了突破。他們發(fā)現(xiàn)了一類新的酶類，這些酶類能夠降解自然界中廣泛存在的生物質如幾丁質和纖維素等并產(chǎn)生糖類。這項研究發(fā)表在最近的一期《自然-化學生物學》雜志上。

這一酶類被稱為溶解性多糖單加氧酶（LPMOs），能通過氧化反應在生物質的多糖鏈上添加氧基團使得其結構趨于松散更易斷裂，為之后的進一步酶解提供基礎。LPMO具有降解常見生物質并生成糖類的潛力，人們因而可能能夠利用這類酶處理植物莖、木屑、廢硬紙板以及昆蟲/甲殼類動物殼，從這些常見的富含生物質的物品得到糖類，并進一步利用這些糖類發(fā)酵生產(chǎn)乙醇等生物燃料。

目前已知的LPMO分屬AA9和AA10兩個蛋白質家族。研究人員通過對AA9的結構加以比對，發(fā)現(xiàn)了一個很短的保守序列，這段序列由四個半胱氨酸和一個芳香基團構成。這一結構域被命名為X287，并作為搜尋新酶的依據(jù)。隨后，研究人員又發(fā)現(xiàn)部分具有X278結構域的蛋白質中含有保守的N端結構域這一結構域被稱為AA11結構域，含有這一結構域的蛋白被歸入AA11家族。在后續(xù)實驗中，研究人員利用大腸桿菌系統(tǒng)表達米曲霉的BAE61530.1基因，該基因編碼的蛋白屬于AA11家族。他們對這個屬于AA11家族的新酶進行了鑒定，發(fā)現(xiàn)該酶能夠降解幾丁質類生物質，而發(fā)揮作用需要銅離子的參與。

幾丁質（Chitin）結構圖。圖片來源：維基百科

這一研究成果使得利用可持續(xù)原料生產(chǎn)生物乙醇成為可能。經(jīng)由對該類酶家族的起源和化學反應機制進行詳細研究，研究人員已經(jīng)證明，人們有可能通過尋找新的生物降解方法，生產(chǎn)出可持續(xù)性的生物燃料。不僅如此，文章涉及的研究思路也可為同類研究提供參考，使得科研人員可以更高效的挖掘這類酶。

從AA9到X278再到AA11的蛋白質搜尋過程。通過進行蛋白質序列對比，研究人員能夠根據(jù)已知的特定結構域，探索具有類似功能的蛋白質。圖片來源：Glyn R Hemsworth，et al. （2013）Nature chemical biology.

目前，第一代生物燃料由自然界中易于消化的生物質（如玉米淀粉）為原料制成，需要消耗大量的能源作物，因此耕地被大量占用。這樣不僅會限制生物燃料的產(chǎn)量，還有可能危及食品價格的穩(wěn)定。相較而言，第二代生物燃料的原料是諸如麥稈、蔗渣、甲殼等廢物。第二代生物燃料技術的推廣一方面能夠緩解日益嚴重的能源危機，另一方面也更有益于環(huán)境。

這項研究的負責人之一、約克大學化學系教授保羅沃爾頓（Paul H. Walton）表示：這一研究成果不僅會更好地解決第二代生物燃料的生產(chǎn)中遇到的問題，也會給目前生物乙醇的生產(chǎn)商提供強有力的工具，使得他們能夠將廢棄原料更有效地轉化成生物燃料。