你能想象秸稈等農林廢棄物可以變廢為寶成為乙醇汽油么?我市的科學家們通過一種細菌實現了這一神奇轉變。記者從青島能源所獲悉，該所代謝物組學團隊長期致力于熱纖梭菌等纖維素降解菌的遺傳改造及代謝工程研究，通過對熱纖梭菌及其纖維素降解酶系——纖維小體的定向改造，構建了新型的工程菌株，可以作為全菌催化劑實現農林廢棄物中木質纖維素底物到可發酵糖的高效轉化，促進了木質纖維素生物轉化的工業化進程。

破解木纖維素兩道“屏障”

植物通過光合作用積累了大量的纖維素，纖維素的利用卻沒那么容易，降解它就得費上九牛二虎之力。自然界的進化就是一場博弈。為了防止微生物與酶的降解，植物在長期的進化中形成了強大的“抗降解屏障”。也就是說，木質纖維素生物質的工業化、規模化和商業化應用仍未真正展開，其主要原因在于尚未突破木質纖維素高效、低成本轉化為可發酵糖的這一瓶頸步驟。

具體來說，纖維素鏈之間通過氫鍵網形成了連水分子都插不進去的結晶體。這是纖維素降解的第一道關卡。另外，在植物細胞壁中，纖維素被包埋在由果膠、木質素、半纖維素等組成的基質中，阻隔了纖維素酶與纖維素鏈的直接接觸。相比纖維素，木質素和半纖維素的結構要更加復雜。這是纖維素降解的第二道關卡。所以，科學家們絞盡腦汁想出了各種方法來瓦解纖維素的抗降解屏障。

神奇細菌熱纖梭菌

熱纖梭菌的神奇在何處?原來，熱纖梭菌依靠其“神器”——胞外的纖維小體能高效降解纖維素，在生物能源領域具有重要價值。在這場“戰役”中，最初，熱纖梭菌漫無目的地四處游蕩，不時向周圍發射幾顆“炮彈”——纖維素酶。這些纖維素酶是游離酶，可以分泌到距離熱纖梭菌很遠的地方。如果周邊環境中有纖維素存在，在纖維素酶的轟擊下，纖維素鏈就會發生斷裂，產生少量的纖維二糖和纖維糊精。研究發現熱纖梭菌能以細胞表面的碳水化合物結合模塊(CBM)作為信號接收器,感應到環境中的“獵物信號”——纖維二糖。經過一系列信號傳導，就會啟動“神器”纖維小體的合成。一個纖維小體上載著不同種類的纖維素水解酶，大致分為兩類：一類是內切酶，負責從纖維素鏈內部進行切割;另一類是外切酶，負責從纖維素鏈末端進行切割。

而且，根據底物纖維素的狀態，熱纖梭菌可以調整纖維小體上各種水解酶的比例和空間分布，把酶與酶之間的協同效應發揮到極致。纖維小體一路向前挖過去，也牽引著熱纖梭菌向纖維素充裕的方向移動，不斷分解纖維素。

纖維素變乙醇汽油

熱纖梭菌利用纖維小體這把利刃，切割纖維素鏈，最終收獲的是一筐筐的“葡萄糖分子”，經過一系列的代謝途徑，葡萄糖完成了從糖到乙醇的完美蛻變。生物乙醇制備完成后，再與汽油按照1:9的比例混合，制成最終產品：“乙醇汽油”。按照這個比例混合的乙醇汽油有幾個優點：一是由于勾兌量較少，目前汽車的發動機無需改造就可直接使用;二是乙醇的辛烷值較高，可以取代原先汽油中污染環境的含鉛添加劑，并且改善汽油防爆性能;三是能有效消除火花塞、氣門等部位積碳，避免因積碳過多而引起發動機故障，延長發動機使用壽命。

非糧木質纖維素的高效利用是亟待解決的全球性問題，對實現經濟的可持續發展具有重要的戰略意義。青島能源所代謝物組學團隊在該領域的相關成果已于2017年5月12日在線發表于Biotechnol-ogy forBiofuels。其中，博士生張杰為該論文的第一作者，崔球研究員和劉亞君副研究員為該論文的通訊作者。