酶发现使得首次微生物生产芳香生物燃料成为可能

美国能源部联合生物能源研究所(JBEI)和劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的研究人员发现了一种新的酶，可以微生物生产石油基甲苯的可再生替代品，石油基甲苯是汽油中广泛使用的辛烷值增强剂。拥有每年2900万吨的全球市场。

伯克利实验室资深科学家兼JBEI科学负责人哈里贝勒领导的一项研究结果于周一发表在“自然 - 化学生物学”杂志上。其他主要合着者是JBEI的Andria Rodrigues和Kamrun Zargar。

JBEI以及更广泛的生物燃料研究人员的研究重点是从可再生资源(如木质纤维素生物质)而非石油生产工业和商业相关的燃料和化学品。在这项研究中发现的酶将使第一次微生物生产生物基甲苯，事实上，第一次微生物生产任何芳烃生物燃料。

酶的发现源于对产生甲苯的两种非常不同的微生物群落的深入研究。一个社区包含来自湖泊沉积物的微生物，另一个来自污水污泥。由于环境中的微生物是催化一系列极其多样的化学反应的酶库，因此从事生物技术的科学家从自然界中提取酶并不罕见。

在阅读了20世纪80年代的文献报告后，贝勒有动力研究生物基甲苯，这些报告揭示了缺氧湖泊沉积物中的微生物甲苯生物合成。尽管自那时以来有许多关于细菌甲苯生产的报道，但催化这种具有生物化学挑战性的反应的酶的特性几十年来一直是个谜。

在该研究中发现的甲苯合成酶苯乙酸脱羧酶属于称为甘氨酰基酶(GRE)的酶家族。科学家们在20世纪80年代才开始认识到GRE，而苯乙酸脱羧酶只是自那时以来已发现和表征的第八种已知的GRE反应类型。然而，在JBEI研究和其他研究中提出的宏基因组学证据表明，在自然界中存在更多尚未被表征的GRE。

GRE的自由基性质允许它们催化化学挑战性反应，例如苯乙酸的厌氧脱羧以产生甲苯。除了潜在的生物技术应用之外，许多已知的GRE与人类健康相关并且发生在人体肠道微生物组中。

该项目的酶发现过程具有挑战性和非常规性。研究人员首先开始研究报告制造甲苯的细菌物种，但当这些报告似乎不可再生时，科学家们转向环境生产甲苯 - 特别是城市污水和缺氧湖沉积物。

“所有酶发现项目都具有挑战性。但从单一细菌物种的发现，到污水污泥或湖泊沉积物在复杂微生物群落中的发现，更难以达到数量级，”贝勒说。“这项研究成为了一个大海捞针，在数十万种酶的候选池中寻找产甲苯酶。”

事实上，宏基因组分析显示，这些微生物群落各自包含超过300,000个基因 - 相当于超过50个细菌基因组。另一个挑战是厌氧微生物群落及其许多酶对氧气敏感，迫使科学家在严格厌氧条件下操纵培养物和酶。

这一发现过程结合了生物化学家几十年来使用的蛋白质纯化技术，如快速蛋白质液相色谱，现代宏基因组学，元蛋白质组学和相关的生物信息学分析，其中一些与美国能源部科学办公室联合基因组研究所合作开展。用户设施。发现过程的一个重要组成部分是通过使用涉及纯化蛋白质的高度可控测定的实验来验证研究人员对甲苯生物合成酶的预测。

这项研究引发的一个有趣的问题是：为什么细菌会产生甲苯?研究人员没有明确的答案，但在论文中提出了两个假设。一种可能性是细菌产生甲苯作为毒素以在其环境中竞争其他微生物。另一个假设是苯乙酸脱羧酶(产生甲苯)反应提供了细菌在某种酸性发酵环境中调节其内部pH的策略。

贝勒和他的同事认为他们的研究结果对基础科学和应用科学都有影响。从生物化学的角度来看，该研究扩展了已知的GRE催化范围，从生物技术的角度来看，它将使得可再生资源的芳烃燃料碳氢化合物首次生化合成。

“我们对细菌的非凡代谢多样性有很多了解，”贝勒说。“通过进化，自然界已经设计出可以催化难以发生的化学反应的酶，正如我们发现的那样，我们可以将它们用于生物技术。”

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