| 杨树、鲨鱼和生物燃料，这三者有什么共同点？虽然它们听起来有点风马牛不相及，但实际却有着意想不到的联系。最近，密西根州立大学的生物化学专家团队在研究更清洁能源的过程中，取得了一些与之相关的重大发现。 该团队将这项最新研究发表在《植物生物技术杂志》（Plant Biotechnology Journal）上，文章中探讨了如何通过基因工程改造手段，让杨树产生一种通常从鲨鱼肝脏中提取的高价值化学物质。
如果能通过基因工程让杨树生产这种化学物质，不仅能大大提高杨树作为高潜力生物燃料来源的经济价值，还能减少对鲨鱼的过度捕捞。 “我认为这个研究展示了如何以各种创新方法利用工业作物”Jake Bibik说道。读博期间，Jake曾在密西根州立大学研究员Bj?rn Hamberger的实验室开展研究。 “通过借助基因工程改造技术，我们可以从杨树这类非粮食作物中提取出原需依赖化石燃料的化学物质，甚至是创造出全新的特种化学物质，使其成为一种可持续性的替代方案。” 密西根州立大学的Bj?rn Hamberger教授是萜烯方向的研究专家。这些萜类化合物长期广泛应用于医药品、化妆品和调味品中。 四两拨千斤 杨树本身就具备成为优质生物燃料原料的多项条件。 它们能在不适宜农作物生长的土地上快速生长，其生物质（储存能量的有机物质）经过分解和发酵可用于生产生物燃料。 最大的挑战在于经济成本。“生物燃料目前仍然无法与市场上现有的廉价石化产品竞争”Bj?rn Hamberger教授说道。 Bj?rn Hamberger不仅是密西根州立大学自然科学学院生物化学与分子生物学系的“James K. Billman”冠名教授，还是五大湖生物能源研究中心（GLBRC）的联合研究员。GLBRC是一个获美国能源部资助、由威斯康辛大学麦迪逊分校牵头领导的生物能源研究机构。 GLBRC的科学家们一直在寻找从生物质中提取其他高价值产品的方法。研究表明，杨树可以成为对氨基酚（p-aminophenol）的可靠来源。对氨基酚主要用于制造染料、粘合剂和其他聚合物，以及生产泰诺（Tylenol）的活性成分——对乙酰氨基酚。 Bj?rn Hamberger于2015年加入五大湖生物能源研究中心，当时他就建议团队研究和利用萜烯，这是一类植物产生的化合物，它们在植物和环境互动中扮演重要角色，比如吸引传粉昆虫或者防御害虫等。 Hamberger教授还担任了密西根州立大学分子植物科学、遗传与基因组科学，以及细胞与分子生物等专业的授课教师，他提到“萜烯是地球上最古老、种类最庞大的一类特殊代谢物”。 “由于萜烯对各种生态互动都十分重要，因而展现出了惊人的多样性，其中所涉及的化学成分更是让人叹为观止。” 萜烯被人类使用了数千年，已被证明具有抗炎、抗微生物、抗癌和抗菌等特性，同时还是调味剂、化妆品和香水等物品中的关键成分。 Jake Bibik、Hamberger教授及其合作者们正在集中研究一种名为角鲨烯的萜烯，这是一种广泛应用于化妆品和疫苗关键成分的有机化合物。 目前，市场上大多数角鲨烯都来自鲨鱼肝脏，它的名字就源自于拉丁语中“squalus”（鲨鱼）一词。 在研究中，团队通过两种不同的化学途径来让杨树产生角鲨烯这种物质。 一种途径是利用了细胞中心发现的胶状物质“细胞质”，而另一种途径则是在负责光合作用的叶绿体中生产角鲨烯。 不列颠哥伦比亚大学Shawn Mansfield教授说道：“Hamberger教授及其团队正在采用一种高度创新的策略，通过改变碳的常规代谢路径，将光合作用产生的碳引导到独特的杨树组织和液滴，用于制造特定的化学物质，从而将树木变成一座强大的生物工厂。”Mansfield教授是杨树基因转化方面的专家，也是上述研究论文的合著者。 “能参加这样一个极具创新性和前瞻性的项目，我感到十分激动。” 虽然细胞质途径会对杨树根系发育造成一定干扰，但在叶绿体途径下，每克叶片中能够产生0.63毫克的角鲨烯。 取得这个充满前景的研究结果后，就该进入到Hamberger所说的‘现实检验’阶段了。 图为密西根州立大学温室实验室中一片杨树叶子的特写。由于杨树生长速度惊人且生物质密度高，从而成为生产生物燃料的理想选择。如果经过基因工程改造，它们还可以生产其他各类有用产品。 迈向新阶段 该研究团队随后与普林斯顿大学化学与生物工程教授Christos Maravelias合作进行了一项分析，以确定杨树生产的角鲨烯实现收支平衡时的最低销售价格。 研究结果是，杨树最低售价需要每公斤144美元，而目前从鲨鱼中提取的角鲨烯价格是每公斤40美元。 “如果你向客户推销一种绿色产品，它不能仅仅只有绿色环保这一个特点，还需要价格实惠。”Hamberger教授说道。 “幸运的是，我们有几种方法可以提升其经济价值。一种方法是增加总产量，另一种方法则是利用角鲨烯制作更高价值的产品，如香水和‘龙涎香’。” 龙涎香是另一种海洋动物产品，产自抹香鲸的消化系统中，它常被用于香水中延长香味。 Hamberger教授表示，角鲨烯有可能“升级”为安布瑞烯（ambrein），这是构成龙涎香的另一种高价值萜烯。科学家们已经证明，细菌可以通过基因改造而产出安布瑞烯，这为进一步研究杨树如何实现这一点提供了可能。 此外，来自密西根州立大学的另一位论文合著者Tom Sharkey表示，杨树在生产角鲨烯的过程中排放的异戊二烯气体更少，这间接减轻了温室效应。 密西根州立大学生物化学与分子生物学系的Tom Sharkey教授说道：“Jake、Bj?rn及其科研伙伴们正在研究一种最有希望制造特殊化学品和燃料的方法，特别是只能使用液体燃料的情况，例如喷气飞机航行。”Tom Sharkey不仅被评为“大学杰出教授”，还是密西根州立大学与能源部植物研究实验室和植物抗性研究所的成员。 这些研究发现意味着，研究人员在探索将杨树转变为更具吸引力的生物燃料和有价值化合物来源方面，取得了新的突破。 对于当前在生物技术公司MelaTech担任高级科学家的Jake Bibik来说，团队的这些发现将是利用人类地球生化多样性应对重大挑战的又一进展。 “我认为，这项研究正为将植物工程和萜烯类研究转化为可实际应用的生物技术，奠定日益坚实的基础。” Tags：密西根,州立,大学,杨树,研发  |
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