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创设更易管理的生物能源,杂志精选

2019-05-07 04:59

在上周发表的《科学》期刊上,一项将转基因技术运用到能源作物中的研究引起了学界的强烈关注。威斯康星大学麦迪逊分校生物化学系的约翰·拉尔夫(John Ralph)教授负责了这项研究,它的团队成功地将当归(Angelica sinensis)中编码木质素单体阿魏酸转移酶(FMT)的基因转入杨树基因组,使得杨木原料能在更温和、更节省成本的条件下进行生产预处理,也使加工过程更加高效。果壳网对此项成果进行了报道,详情请看《转基因杨树:打造更易处理的生物能源》。

在过去的一个世纪,人类对化石燃料的开发和利用极大地推动了社会的发展。但由于面临能源需求持续增长、原油价格不断上涨以及化石燃料的使用导致的全球温室效应等重大问题,开发可再生、可持续的生物能源迫在眉睫。

4月4日《科学》杂志精选

果壳网也就此对论文的通讯作者约翰·拉尔夫教授进行了专访。这位亲切地表示“叫我约翰就好!”的老教授奔赴加拿大基因组委员会参加会议的途中完成了采访。他打趣说:“要回答这些问题也许得花上比写论文本身更长的时间呢。”

在遇到能源危机和提出生物能源利用的概念以前,人类使用植物纤维素已有上万年的历史了,我们使用它制作衣物、制造纸张和饲养牲畜。现在,科学家再次将目光聚集在纤维素上——这种自然界中含量最多的多糖有望为解决能源问题贡献力量。日前,一项由威斯康星大学麦迪逊分校生物化学系教授约翰·拉尔夫(John Ralph)负责的研究,在利用转基因技术改造原料植物,使之更易于投入生产方面有了重大突破。研究论文4月4号发表在《科学》(Science)上[1]

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图片 2约翰·拉尔夫教授。图片来源:grow.cals.wisc.edu

植物纤维素大多嵌入在植物组织复合体中,而这个复合体中还大量存在着给纤维素使用造成困难的酚醛聚合物——木质素(lignin)[2]。木质素是一类酚类次生代谢产物,在植物体内行使重要的生理功能,但它能影响纤维素水解酶分解纤维素,甚至是吸附聚集这些酶,使得酶解过程难以进行,极大影响生物燃料的生产。难以分解的酚醛聚合物木质素还成为了造纸生产的主要污染物,而引入反应条件剧烈且成本高昂的木质素预处理环节,必然使得整个行业的发展受到影响。同时,它的存在还会降低饲料被牲畜消化吸收的效率。

设计植物可崩解的细胞壁

果壳网:在研究中,你使用杨树作为目标生物,它有什么特别之处,为何选择它而不选择生长周期更短或研究体系更为成熟的模式植物?

在过去的几十年中,研究工作者们一直致力于通过改造植株中的木质素组成,来降低其对工业生产和畜牧造成的影响。是否能通过改造得到自身合成易于处理或消化的木质素的植株,成为整个纤维素利用领域的关键[3]。拉尔夫和同事发现,当归等植物可以产生一种叫做阿魏酸的物质,阿魏酸盐可以在植物合成木质素过程中“混进”木质素的结构中,并在本来很稳定的高分子长链中带入一个相对容易断裂的酯键,使得原本看似“坚不可摧”的木质素有了“软肋”。

因为极其渴望能够更容易地将木质素进行分解,科学家们已经尝试了各种化学招数,而现在一项新的研究报告了一个关于这一领域的关键性进展。木质素可保持植物处于直立状态,但它也会使得植物难以在诸如生物燃料的生产或消化苜蓿等工业生产过程中得到分解;而苜蓿是牛的一种重要的饲料作物。提高木质素的可被消化的能力将在诸多过程中降低所需的能量输入;在全球范围内,对改善该过程感兴趣的研究人员一直对木质素感到困惑,他们尝试了无数的方法来生产具有较弱、更容易被消化细胞壁的植物。先前的研究工作提示,木质素被组装的自然过程,即从一个被称作单体的单一分子池装配成为一个较为复杂的多聚物链的过程可通过设计从而并入那些新的并非木质素天然所有的单体。这种方法激起了人们相当大的兴趣,即将木质素主干与可能增加其降解能力的单体浸在一起。被称作阿魏酸盐的酶显得尤其有前途,尽管只是在体外。现在,一个由Curtis Wilkerson 领导的科学家团队已经在体内用阿魏酸盐第一次获得了真正的成功。为了获得在活体植物木质素内的阿魏酸盐复合物,他们必须先确定它已被添加到了木质素的生物合成池。首先,他们发现了编码阿魏酸盐酶的基因。接着,他们将其在白杨树的形成木质素的组织中进行表达。应用木质素结构分析,他们观察到,以这种方式设计的白杨树样本能够产生新的单体,将这些单体输出到细胞壁,并最终将它们吸收进木质素的主干内。在温室条件下,由此产生的白杨树没有在生长习性上显出任何的不同,但它们的木质素却显示出了改善了的可被消化的能力。设计出能在组装木质素时使用这种化合物的植物可能是一条用以生产“专门进行解构”的植物的新途径。

约翰·拉尔夫:我们当然也用过拟南芥这种更易于转化入外源基因的模式植物来进行检验。但我们希望使用真正能提供大量生物质(同时仍然易于转化)的植物,以产出足够的材料,来在各种不同的处理条件下进行真正的测试。作为模式植物,杨树能很好地满足这些要求。

图片 3阿魏酸与木质素作用示意图。图上方的链条代表普通的木质素,下方的链条代表经过改造后植物合成的木质素。图片来源:C. G. Wilkerson, et al. (2014)Science.

将一只脚放在另外一只脚的后面

另一方面,在加拿大,杨树也是非常常用的生物质材料和木浆原料。杨树还有另一个优势:像柳树一样,它可以被修剪——杨树自地面以上的部分被伐取后,仍可以利用树根和残留的茎再长出新的枝干,于是之后又可以重新采伐——我每三年至少能采集五次木材。因此,我们能够在不牺牲植物的前提下,每年都采集材料进行测试。

此研究通过提取当归的总RNA,克隆得到了能够帮助植物自身在木质素合成时加入阿魏酸的相关基因FMT(编码阿魏辅酶A转移酶),并把该基因转入到杨木的基因组中。“我们也用过拟南芥这种更易于转化入外源基因的模式植物来进行检验。但我们希望使用真正能提供大量生物质的植物,以产出足够的材料,来在各种不同的处理条件下进行真正的测试。作为模式植物,杨树能很好地满足这些要求。”拉尔夫告诉果壳网。转入FMT基因的转基因杨木,在外观上与正常野生株上没有明显区别。但通过对木质取样并使用高效液相色谱检测,研究者发现,转入了合成及转运阿魏酸基因的杨木,合成的木质素中含有阿魏酸,这意味着人为加入的基因能够成功表达对应蛋白,并且这些蛋白可以发挥预期的功能。

果蝇向后挪动躲开一小块潮湿的香蕉的情景可能会让人感到奇怪,但果蝇是可以这样做的;如今科学家们已经发现,仅需两个神经元就能控制这一向后退的能力。这一发现可能会阐释其他有腿的动物是如何在向后及向前运动中作出选择的。把一只脚放在另一只脚之后的能力并不局限于人类。人类也能向后行走,且这种行动并非仅仅是向前行走的反转(在向后行走时,髋部肌肉实际上有着不同的运动),而涉及这一过程的神经回路还没有被很好地了解。科学家们知道,大脑扮演着一个指挥的作用,它会对载有神经的运动系统发出信号,而该运动系统接着会选择性地激活相关的肌肉。但现在,通过在果蝇中的研究,他们揭示了有关的特定神经系统回路。Salil Bidaye及其同事以创建大约3500个果蝇世系作为开始,每个果蝇世系具有一个不同的神经系统表达模式,旨在确认被激活时能改变果蝇行走方向的神经元组合。在这些果蝇世系中,他们发现了一个被称作“月行者”的世系,在该世系中,向后行走行为最为明显。他们将该世系放入一个特殊的腔室并在其中将激活的神经元沉寂;这种做法阻止了果蝇的向后行走行为——即使是当这样做会是有帮助的时候果蝇也不会向后行走,如当其到达某条路的尽头的时候。研究人员在另外的实验中发现,在该月行者果蝇中的7 个独特的被激活的神经元中,只需要激活它们中的一对神经元——其中之一在脑中,另一个则沿着果蝇的腹部——就足以让果蝇向后行走。通过应用精确的遗传学工具来确定哪个神经元在做什么,他们发现,激活脑中的一个神经元足以诱发反向的运动;激活第二个神经元则不会出现反向运动。研究人员发现的那一个神经元主要通过抑制向前的运动而帮助了总体的退行过程。这些发现让人们第一次得见果蝇及可能还有其他有腿的动物是如何控制其行走方向的。

果壳网:向木质素中引入不稳定的化学键来使其易于裂解是个很棒的想法。最初是什么原因让你把目光投向FMT这个酶的?

图片 4木质素单体与阿魏酸盐偶联的生物合成流程图。图片来源:C. G. Wilkerson, et al. (2014)Science.

微型移动设备可监测健康

约翰·拉尔夫:这项研究的灵感源自植物细胞壁化学与生物化学方面的三项不同基础研究的融合,这反映了不同领域间集体相互启发的力量——能与我们实验室这些优秀的同事们以及杰出的合作者们一同工作,我感到很幸运。

FMT酶能够将阿魏酰辅酶A与木质素单体偶联,最终将阿魏酰辅酶A连入木质素长链。而随之被带入多聚物内的、易于断裂的酯链,使得木质素的裂解处理过程容易很多。研究发现,使用6.25毫摩尔的氢氧化钠,90℃处理3小时后,木质素含量就减少到满足进行后续工业生产的标准,而目前常用的处理温度是160-200℃。因此,使用改进后的杨木木料进行工业生产,可以大大减少木质素处理环节的技术难度和能源成本。

如果一位孕妇或一名罹患慢性疾病的患者能够将某种用于监测其健康的昂贵医院设备——如心电图机——带回家中,那会是怎样的一幅情景呢?由Sheng Xu及其同事所采用的一种非常接近这种构想的新的方法,这种方法通过可舒适地附着于一个人皮肤上的薄的、具有弹性的装置并以无线方式进行电生理数据监测;他们所用的新的方法包括了悬浮于液体中的传感器、电路及无线电微型组建。他们说,这种技术具有在诊所范围之外提供持续的、具有医院品质的医疗监测的潜力。通过软性微流控与结构性黏性表面的结合及受到控制的机械屈曲,Xu及其他的研究人员能够设计出可拉伸的电路板——它具有微型的电子元件,这些元件通过弯曲形的相互联系网络而连接在一起;该电路板悬浮在多聚物溶液中并受到硅酮橡胶膜的牵制。他们的新的策略将这类医疗检测装置的延展性及机械顺应性同时改善了几个数量级,且研究人员提出,这些软性、柔韧性的装置有一天将可从患者自己舒适的家中提供有关他们的准确、实时的健康信息。

最初,我们了解到木质素是如何被酰化的(比如被加入各种酯基)。我们发现大麻槿、剑麻等植物中木质素的乙酰化;杨树、柳树和棕榈中木质素的对羟基苯甲酰化,以及禾本科植物中木质素的对香豆酰化过程都是通过产生与酯偶联的木质素单体,并将这些偶联物用到木质化过程中完成的。请注意到,这意味着在上述植物中,这些偶联物在木质化反应中是作为“单体”存在的。

早期的研究者将阿魏酸加入木质素的愿望,在拉尔夫的研究中得到了实现。这使得进一步改造和设计易于利用纤维素和木质素的植物的设想成为了可能。接下来,“我们今年希望对这些转基因材料做不同的处理测试,并进行一些实际比较,希望拿到这方面的数据。不过现在,它还不能直接投入生产。”拉尔夫向果壳网透露。我们有理由相信,在不久的将来,转基因植物将在新能源中扮演日益重要的角色。

(本栏目文章由美国科学促进会独家提供)

不过,顺便说一句,这些偶联物并没有向木质素多聚体的主链中引入易分解的酯键!既便是对羟基苯甲酸和对香豆酸,也都与木质化反应不相容,也就是说,尽管它们是酚类物质,但它们并不参与木质化反应的基团偶联。木质化过程更倾向于用其他酚类进行基团转移反应,因此最终这些基团只是保持原样,作为的木质素多聚物的附属物存在,而并未被嵌入到主链当中。

参考资料:

  1. C. G. Wilkerson, et al.(2014) Science. 344, 90-94
  2. en.wikipedia.org/wiki/Lignin
  3. X. Li, et al. (2008)Plant J. 54, 569–581

《中国科学报》 (2014-04-15 第2版 国际)

果壳网:但是阿魏酸却做到了。

信息来源:Science

约翰·拉尔夫:我们在奶牛饲料研究中心(Dairy Forage Research Center)有个很大的研究项目,主要研究阿魏酸与植物细胞壁的交联。在禾本植物中,阿魏酸会以酯的形式附着在半纤维素和阿拉伯木聚糖上。我们发现,植物会利用基团偶联反应生产一系列阿魏酸二聚物,并通过阿魏酸将多糖交联,来强化植物的细胞壁。

文章题图:C. G. Wilkerson, et al. (2014)Science.

 

我们设想阿魏酸同样也参与木质素的形成,发生偶联并交联木质素单体,这些多聚物最终在禾本植物中形成大强度的木质素-多糖交联体。这一设想随后得到了证实。此外,这些木质素多糖也是使反刍动物对消化草中多糖的能力受到限制的一个重要因素。事实上,多糖中的这些阿魏酸似乎木质化的成核位点,木质素多聚物可能从这些位点开始形成。就这样,我们发现阿魏酸能与木质化过程完全兼容,能完整地被聚合进木质素多聚物中。这意味着在禾本科植物中,阿魏酸可是木质素的另一个天然的单体!

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至此你可能也想到了,我们认为虽然禾本植物中的木质素单体-对香豆酸偶联物并不能向木质素主链中引入酯键,但木质素单体-阿魏酸却可以,因为这种偶联物两端都能够被并入多聚物。

然而,还得有另外一系列至关重要的研究。如果我们没有独立完成之后的研究,上述这些概念就都毫无意义。

果壳网:之后你们做了什么工作?

约翰·拉尔夫:木质化是个可塑的代谢过程,我们参与了最早的关于木质素突变和转基因方面的研究。我们很早发现,当植物无法合成正常的木质素单体时,比如一些对生物合成至关重要的基因受损或被下调了,这些突变株或转基因植株会将其合成的其他酚类——通常是木质素单体不完全合成的产物——转运到细胞壁中,并“试图”就用这些产物合成木质素多聚体。在很多情况下,这样以多种酚类化物代替部分正常木质素单体的策略也能使植物很好地存活——这意味着修饰后的木质素多聚体仍能行使功能,在一些个例中,这样的植株甚至不会出现任何明显的生长缺陷。这些年,越来越多的例子表明我们(或植物自身)能够用特定的酚类物质替代一些正常的单体,这也给了我们特别的机会去操纵木质素多聚体的结构。

随后,我们对木质素基因进行了许多上下调研究,以改变其表达,并观察这些改变对各种处理的影响。直到今天我们仍对这些方法抱有很浓厚的兴趣,比如最近我们发表在PNAS上作为封面文章的一项研究就是用下调了木质素CCR基因的杨树进行田野实验的。

果壳网:最后你们就有了这样改造能源作物的想法?

约翰·拉尔夫:我觉得我们比其他人更早意识到我们能够自己“重新设计”木质素,使之具备更便于化学处理的性质。简单地说,我们本来需要非常严格的反应条件,才能使正常的木质素中最脆弱的键——β-醚键断裂, 并将木质素多聚物切成更小的部分,使其得以与多糖分离,或者至少能让相关的酶能更好地接近目标底物。例如制浆就需要在170℃下,将木材至于1摩尔每升的氢氧化钠溶液中蒸煮几个小时——但如果是酯键的话,任何一个化学家都知道只要在室温下用氢氧化钠处理就能使之断裂。所以,如果我们能重新设计木质素的结构,使它变得更容易通过化学而非生物途径分解,岂非一件很赞的事情?

一旦你意识到你要在木质素主链中插入酯键,那么阿魏酸酯就是理想的选择。之后,你需要一个能令木质素单体和阿魏酸通过酯键偶联的酶,(当时完全不知道是哪一个)。我们不得不找到这样的一种酶,比如FMT(阿魏酰辅酶A木质素单体转移酶),来完成偶联工作。这类酶在禾本植物中的同工酶最近也被我们找到了,它能产生木质素单体-对香豆酸偶联物。此外,我们也发表了许多其他可能的方法,当然,这些方法还没有在真正的植物系统中检验过。

图片 5温室中培育的转入FMT基因的杨树。这些转基因植株与野生植株并无外观差别。图片来源:C. G. Wilkerson, et al. (2014)Science.

果壳网:你最初在中药当归中发现了FMT基因,在那之后是否有尝试在其它生物体中寻找功能类似甚至更好的基因?

约翰·拉尔夫:确实有。然而在其他植物中,我们只鉴别到其中两种植物具有这个基因。我们已经将其中一个提取出来,但它的功能没有当归的FMT那么好。至于剩下那种植物,我们则还在寻找对的基因。而当归里的FMT活性非常高,且能使当归根部的阿魏酸松柏酯含量高达2%,所以我们基本上停止了寻找其他生物里的酶——当归的FMT已经非常理想了。

果壳网:根据现有的研究成果,我们得多久才能把这种经过转基因改造的植物投入相关的工业生产中?与传统的植物原料相比,使用重新设计的植物,又大约能降低多少生产成本?

约翰·拉尔夫:这是一个好问题。我们还需要更好的实验数据才能推广到实际的经济生产中,但已有的数据已经表明,我们能在更温和的条件下对生物质进行处理,即能通过酶促反应是生物质释放出糖。在需要通过制浆将木质素含量降到特定水平的模式系统中,如果木质素-阿魏酸偶联物的含量能达到25%,那么原本通常需要160~170℃处理才能完成工序只要在约100℃的条件下就能完成——而我们正在使偶联物的含量接近25%了。如果今年能在原料植物中达到这个水平,那么与需要170摄氏度处理2小时的传统植物相比,转基因植物也许只需要在同样温度下处理30分钟,就能是木质素分解到制定水平。这样,节省的生产成本和能源将是巨大的,而生产能力则会提高!我们今年希望对这些转基因材料做不同的处理测试,并进行一些实际比较,希望拿到这方面的数据。不过现在,它还不能直接投入生产。

图片 6不同株系的转基因杨木与野生杨木(Wild Type,左一)材料在温和的碱性预处理条件下的分解情况对比。蓝色:葡萄糖产量;红色:戊糖产量。*P < 0.01;**P < 0.005。图片来源:C. G. Wilkerson, et al. (2014)Science.

果壳网:现在在中国,人们对转基因植物的种植有着很大的争议。研究者和管理者能做些什么,来使这类转基因植物能被更好地了解与接受?

约翰·拉尔夫:这是一个很大很广的问题,但也是我们必须面对和克服的问题。第一,这项研究中的植物不是食品。第二,在自然界中,植物的基因本来就无时不刻不在发生变化,我们常常可以得到自然突变的植株。这是我们无法避免的。第三,这些基因本就是天然的植物基因,在植物体内行使着正常的生化功能。第四,这些植物材料的降解产物也很可能不受影响。

再次强调,这些类型的化合物和多聚物在自然界本就存在,只是植物们似乎没试过将木质素朝这个方向合成——不过我们也不确定,因为此前并没有筛选这种木质素的方法——但我们也愿意相信自然界中有尚待发现的植物已经在合成这样的木质素。

人们当然充分的理由保持谨慎,但对微调几个基因的研究,我们必须摒弃那些夸大的、歇斯底里的指摘。即使是作为食物的作物,无论水果还是蔬菜,都几乎已经没有哪种还是它们“自然”的面目,它们经过大量的育种工作,这些植物中也有大量的基因发生了改变!

最后,人们也一直把一种植物嫁接到另一种植物上,比如把苹果茎嫁接到梨的砧木上——但却没有人在反对这个,也没人质疑过“无籽葡萄怎么繁殖和生存?”等等。严肃地说一句,如果我们通过往能源植物和制浆植物中引入一个植物基因,就能降低处理过程产生的污染、使环境变得更干净、令能源更加高效并保持碳平衡,不这么做难道不才是不负责任的行为吗!在这一点上,你们(媒体)也许可以帮上忙。

 

感谢昀皓对本文的贡献。

文章题图:grow.cals.wisc.edu

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