(圖:ZEENEWS)

在塑膠及紡織的市場中,石油為重要的原料。科學家一直以來希望以植物中無法食用的部分提煉出木質素( lignin ),作為原料取代石油。但其強度高的特性使得分解的成本過高、效率不足,而難以撼動石油的地位。

而日前,桑迪亞國家實驗室( Sandia National Laboratories )的研究團隊,以基因改造工程使大腸桿菌( Escherichia coli )能更有效地分解木質素,其效率及成本足以克服過去的障礙。

木質素

木質素分解後,可作為相當有價值的基化學反應物( platform chemicals ),用以生產如尼龍、塑膠及航空煤油等以石油為原料的產品。但木質素作為維持植物強度的重要成分,其分解所需的能量也因此相當高。導致處理的過程反而在能量及經濟上得不償失,經濟價值遠不及其他的前驅原料。因此對於急切擺脫石油依賴性的國際共識下,如何有效分解木質素成了相當重要的問題。

而此研究團隊藉由細菌快速繁殖及能承受產線艱困環境的能力,將大腸桿菌以基改工程改造成了能有效分解木質素的工廠。同時也解決了一直以來所面臨的三大問題。

成本

一般而言,大腸桿菌是不具有分解木質素的酶( enzymes ),必須加入誘導劑( inducers ),才能開始進行反應。但此種誘導劑通常成本過高,對於生物煉製( biorefineries )欲大量生產的目標而言,為相當大的阻礙。

而研究團隊透過基改工程,使大腸桿菌能夠利用如香蘭素( vanillin ),同時作為基質及誘導劑。但雖解決了成本的問題,其隨著木質素分解而累積濃度的特性,造成了毒性( toxicity )問題,使大腸桿菌無法繼續分解木質素。

毒性及效率

因此,研究團隊驅使大腸桿菌將香蘭素轉換為鄰苯二酚( catechol ),使其在反應過程不會持續累積。濃度無法達到造成毒性中斷反應的程度。如研究團隊之一的希曼·辛格( Seema Singh )所表示的:「整個過程能夠達到自動調解的效果」。

香蘭素穿過大腸桿菌細胞膜的過程是屬於被動運輸的,因此擴散的速率相當慢,而導致反應的效率也不足。若欲達到生物煉製的目標,效率即是其中必須解決的問題之一。而研究團隊,將大腸桿菌進一步改造為能夠以分子幫浦,主動運輸香蘭素過細胞膜,加快反應的速率。

未來應用

此種基改大腸桿菌,去除了誘導劑的成本及具有自動調解產線環境的能力,有望將此生物煉製的產線規模及商業化。而研究團隊也進一步的在研究是否有其他種細菌更能勝任此任務,且能夠提高產物的品質。若能以木質素取代石油,將會是朝向擺脫石油依賴性的一大進展。

 

參考資料:

  1. Riding bacterium to the bank. (n.d.).  SANDIA NATIONAL LABORATORIES
  2. Wu, W., Liu, F., & Singh, S. (2018). Toward engineeringE. coliwith an autoregulatory system for lignin valorization. Proceedings of the National Academy of Sciences, 115(12), 2970-2975. doi:10.1073/pnas.1720129115
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