2022-06-29 15:39

探索大自然自己的流水线

Nature’s own assembly line

如今,从药品到汽车轮胎,几乎所有工业产品的原材料都来自不可再生的化学原料。它们是由化石燃料炼油厂生产的,会排放二氧化碳等温室气体。然而,未来的化学工厂可能会逆转这一趋势,利用植物通过从空气中吸取二氧化碳分子来自然构建复杂的化学物质,从而制造出一些化合物。

白井知和(Tomokazu Shirai)利用了生物本身的化学能力,重新引导它们,使植物和微生物清洁地生产出目前从原油裂解中提取的各种工业化学品。这位合成生物学家是细胞工厂研究团队的资深科学家,并于2012年加入日本理化研究所可持续资源科学中心(CSRS,前身为日本理化研究所生物质工程项目)。他的团队已经创造了世界上第一个可以吸收葡萄糖并将其转化为马来酸或1,3-丁二烯的微生物。这些有价值的工业化学品被用于各种产品,包括聚合物和橡胶。

但这只是CSRS合成生物学家的第一步。这些经过改造的微生物需要被喂食糖来产生目标化学物质,但如果植物被用作宿主生物,它们直接从大气中吸收二氧化碳的能力将导致许多有价值的化学物质的负碳生产。

Computer-aged设计

合成生物学是一门新兴的研究领域,它结合了化学、生物学和工程学,对目标生物的分子产生代谢途径进行改造,使其产生有价值的化学物质。CSRS的科学家在催化化学和化学生物学方面具有专长,但也有许多人擅长大规模数据科学、计算和模拟以及人工智能。

人工智能的使用代表了对传统合成生物学的背离。但这种计算方法是与轮胎制造商横滨橡胶公司和Zeon公司合作的关键。这家合资企业设计并创造了能够吸收葡萄糖并将其转化为1,3-丁二烯的大肠杆菌,这是一种用于制造轮胎的关键合成化学品。

任何合成生物学项目的第一步都是分析潜在宿主的代谢途径,以确定哪些点可以被转移来产生所需的化学物质。任何修改都不能杀死或严重损害宿主的生长。

自2012年以来,Shirai一直在开发和完善模拟工具BioProV,以导航这一复杂的生化领域。BioProV是一款经过代谢途径分类和酶反应模式训练的人工智能,用于分析生物的自然代谢途径。它提出了途径修改,以产生目标化学物质,而不影响宿主的整体代谢。这在硅工具使设计人工代谢途径和评估他们的可行性。

他的团队发现,大肠杆菌会自然产生一种叫做粘锥酸的分子,这种分子可以在两种酶促反应中转化为1,3-丁二烯。为了让这种微生物有能力完成这两个缺失的步骤,白井和他的同事在2021年改造了酶,以实现必要的化学转化。

为了做到这一点,他们找出了能够催化相关反应的已知酶,然后对它们进行修饰以适应新的反应。计算模拟是必要的,以重新设计和改造候选酶的活性位点,以接受新的底物。研究组合理地设计出了活性比原始野生型酶提高1000倍的酶。

这些改良酶的DNA代码被插入到大肠杆菌基因组中,现在这些改造过的微生物产生的1,3-丁二烯很容易从它们的生物反应器中输送出来。该项目的商业合作伙伴目前正在扩大该工艺的生产规模,以生产每公斤1,3-丁二烯,用于生产和评估使用这种生物衍生化学品制造的轮胎。

化学公司雇佣了很多化学家,但很少有生物研究人员,所以与这些公司联系和合作,将合成生物学转化为现实世界是一个巨大的进步。

木制品

一种可持续的替代传统化石燃料衍生化学生产的方法是将目前被认为是废物的材料通过化学或生物方式转化为有价值的产品。

水果和谷物收获后剩下的木本茎和植物茎是一个全球规模的废物流。这些不可食用的植物部分的主要成分是木质素,一种坚韧的生物聚合物。木质素是植物中含量最多的化合物,也是地球上含量最多的化合物之一。它可以从农业废弃物中提取,是制造可再生燃料和化学品的最廉价和最可持续的碳来源。将其用作高价值化学品的原料对社会非常有益。

木质素复杂的化学结构使其难以分解和重新组装成新的化合物。例如,一种称为快速热解的热处理可以将木质素分解为称为肉桂单体的亚基。这些分子具有双键特征,可能用于将单体重新组合成高级功能聚合物。然而,双键周围的侧链阻碍了化学反应,阻碍了从这种生物废料中制造聚合物的努力。

CSRS科学家Hideki Abe最近开发了一种方法来克服这一限制。Abe使用的不是合成生物学,而是有机催化将肉桂单体夹在一起。有机催化是一种可持续的化学技术,它使用小的有机分子作为催化剂,取代了基于稀有或有毒金属的传统催化剂,获得了2021年诺贝尔化学奖。

合成的丙烯酸树脂具有较高的强度、耐热性和耐化学降解性,预示着广泛的潜在用途,包括汽车车身和发动机部件。

播种未来增长

另一种大量产生的废物是大气中的二氧化碳。

对细胞工厂研究小组来说,下一个主要挑战是利用合成生物学来开发能够吸收大气中的二氧化碳并将其转化为重要工业化学品的植物。

与单细胞微生物相比,植物等多细胞高等生物的基因组和代谢途径要复杂得多。这使得它们对合成生物学家来说更具挑战性。成功地重新设计微生物的代谢途径为利用植物作为宿主的最终目标提供了极好的训练。通过与CSRS专攻植物科学的研究人员合作,细胞工厂研究团队正在将其在微生物方面的开创性工作转化为能够加速植物细胞合成生物学的见解,特别是用于药物和芳香烃的萜类化合物的生产。

日本政府最近宣布,到2050年实现碳中和的目标,利用太阳能固定二氧化碳的高等植物是未来化学生产的绝对理想选择。

相关研究多年来发表在《自然通讯》和《自然材料》上。