生物技术突破：改造树木以取代化石燃料

诸平

Fig. 1 Researchers have engineered poplar trees with altered lignin content that are more easily degraded by microbes, paving the way for sustainable chemical production and providing a promising solution to reduce reliance on fossil fuels.

Fig. 2 Bob Kelly (l) and Jack Wang look over poplar trees in a greenhouse on NC State’s Centennial Campus. Credit: Dee Shore, NC State University

据美国北卡罗来纳州立大学（North Carolina State University, Raleigh, NC, USA）2024年10月18日提供的消息，生物技术突破：改造树木以取代化石燃料（Biotech Breakthrough: Trees Engineered to Replace Fossil Fuels）。

北卡罗来纳州立大学的科学家们发现了如何使用CRISPR修饰树木中的木质素，使它们更适合微生物发酵，以可持续地生产化学物质。这一突破可能会取代对石油基化学品的需求，提供一种既经济可行又对环境无害的更绿色的替代品。

可持续的树木化学产品（Sustainable Chemical Production From Trees）

树木是地球上最丰富的自然资源之一，北卡罗莱纳州立大学的科学家们在利用树木作为可持续的、环保的工业化学品的替代品方面取得了进展，而工业化学品传统上是由石油制成的。

一个关键的挑战是木质素，木质素是一种聚合物，它使树木坚固，抗腐烂。北卡罗来纳州立大学的研究人员现在已经发现了木质素如此难以研究的原因：他们发现了一种特定的分子特征，它的甲氧基含量(methoxy content)决定了微生物发酵分解树木和其他植物以产生工业化学品的难易程度。相关研究结果于2024年10月18日已经在《科学进展》（Science Advances）杂志网站在线发表——Ryan G. Bing, Daniel B. Sulis, Morgan J. Carey, Mohamad J. H. Manesh, Kathryne C. Ford, Christopher T. Straub, Tunyaboon Laemthong, Benjamin H. Alexander, Daniel J. Willard, Xiao Jiang, Chenmin Yang, Jack P. Wang, Michael W. W. Adams, Robert M. Kelly. Beyond low lignin: Identifying the primary barrier to plant biomass conversion by fermentative bacteria. Science Advances, 2024, 10(42): eadq4941. DOI: 10.1126/sciadv.adq4941. Published 18 October 2024. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adq4941

参与此项研究的除了来自美国北卡罗来纳州立大学的研究人员之外，还有来自美国乔治亚大学（University of Georgia, Athens, GA, USA）的研究人员。

先进微生物发酵技术（Advanced Microbial Fermentation Techniques）

《科学进展》（Science Advances）杂志上发表的论文详细介绍了这一发现。论文的通讯作者罗伯特·凯利（Robert Kelly）说：“这些发现使我们离从树木中提取工业化学品更近了一步，作为一种经济上和环境上可持续的石油化学物质的替代品。”

罗伯特·凯利的研究小组先前证明，在美国黄石国家公园（Yellowstone National Park）的温泉等地方繁殖的某些极端嗜热细菌可以降解树木中的纤维素，但“程度不是很大。换句话说，还没有达到生产工业化学品的经济和环境意义上的水平。”正如罗伯特·凯利解释的那样，“事实证明，不仅仅是低木质素在起作用。”

利用CRISPR进行基因增强（Genetic Enhancements With CRISPR）

为了解决树木的高木质素问题，北卡州立大学生物技术项目（NC State’s Biotechnology Program）主任、化学与生物分子工程系Alcoa教授罗伯特·凯利与北卡州立大学自然资源学院森林生物技术项目（Forest Biotechnology Program in NC State’s College of Natural Resources）负责人杰克·王（Jack P Wang）副教授进行了10多年的研究。杰克·王也是北卡罗来纳州立大学植物科学计划（N.C. Plant Sciences Initiative）的一名教员。

据2023年《科学》（Science）杂志报道，杰克·王和他的同事利用CRISPR基因组编辑技术，培育出了木质素含量和组成经过修饰的杨树。原文详见：Daniel B Sulis, Xiao Jiang, Chenmin Yang, Barbara M Marques, Megan L Matthews, Zachary Miller, Kai Lan, Carlos Cofre-Vega, Baoguang Liu, Runkun Sun, Henry Sederoff, Ryan G Bing, Xiaoyan Sun, Cranos M Williams, Hasan Jameel, Richard Phillips, Hou-Min Chang, Ilona Peszlen, Yung-Yun Huang, Wei Li, Robert M Kelly, Ronald R Sederoff, Vincent L Chiang, Rodolphe Barrangou, Jack P Wang. Multiplex CRISPR editing of wood for sustainable fiber production. Science, 2023, 381(6654): 216-221. DOI: 10.1126/science.add4514. Epub 2023 Jul 13.

他们把重点放在杨树上，因为杨树生长速度快，需要最少的杀虫剂，而且生长在难以种植粮食作物的边缘土地上。

微生物偏好和基因检测（Microbial Preferences and Genetic Testing）

罗伯特·凯利的研究小组发现，这些经过CRISPR编辑的树木中，有一些（但不是全部）在微生物降解和发酵方面表现良好。正如他以前的博士生瑞恩·宾（Ryan Bing）解释的那样，事实证明，这些细菌对不同类型的植物有不同的胃口。

“我们可以利用黄石国家公园等地温泉中的某些嗜热细菌的能力，吃掉植物物质并将其转化为感兴趣的产品。然而，这些细菌对不同类型的植物有不同的胃口,”现任美国弗吉尼亚州斯特林市卡普拉生物科学公司（Capra Biosciences in Sterling, Virginia, USA）高级代谢工程师的瑞恩·宾说。

“问题是为什么？是什么让一种植物比另一种更好？”他解释说,“我们通过观察这些细菌如何食用不同成分的植物物质找到了答案。”

甲氧基含量的关键作用（The Key Role of Methoxy Content）

在随后的研究中，罗伯特·凯利和瑞恩·宾测试了一种基因工程细菌（Anaerocellum bescii）的分解效果，这种细菌最初是从俄罗斯 堪察加半岛（Kamchatka Peninsula, Russia）的温泉中分离出来的，它能分解具有明显不同木质素含量和成分的杰克·王的基因工程杨树(Wang’s engineered poplar trees)。研究人员发现，树木的木质素甲氧基含量越低，其可降解性越强。

罗伯特·凯利说：“这就解释了为什么低木质素本身并不是关键，关键在于低甲氧基含量可能使纤维素更容易被细菌利用。”

对商业生产的影响（Implications for Commercial Production）

杰克·王创造了低木质素杨树，以更好地用于造纸和其他纤维产品，但最近的研究表明，工程杨树不仅具有低木质素，而且具有低甲氧基含量，最适合通过微生物发酵制造化学品。

杰克·王教授的转基因杨树在温室中生长良好，但还没有从田间试验中得出结果。

罗伯特·凯利的研究小组之前已经证明，低木质素的杨树可以转化为工业化学品，如丙酮和氢气，具有良好的经济效益和低环境影响。

罗伯特·凯利说：“如果这些树能在田间存活下来，如果我们继续研究下去，我们将有微生物从杨树中制造大量的化学物质，现在我们知道了寻找甲氧基含量的标记。”

未来发展方向及环境效益（Future Directions and Environmental Benefits）

这给像杰克·王这样的研究人员，提供了一个生产最适合化学品生产的杨树品系的特定目标。杰克·王和他的同事们最近开始对先进的木质素改性杨树进行实地试验，以解决这个问题。目前，从树木中提取化学物质是可行的，方法是将木材切成小块，然后使用化学物质和酶对其进行预处理，以便进一步加工。

罗伯特·凯利说，使用工程微生物来分解木质素有很多优点，包括更低的能源需求和更低的环境影响。

微生物优势与产业潜力（Microbial Advantages and Industrial Potential）

酶可以用来将纤维素分解成单糖，但在这个过程中需要不断地添加酶。他说，另一方面，某些微生物不断产生关键的酶，使微生物过程更加经济。

罗伯特·凯利补充说：“它们也能比酶和化学物质做得更好。它们不仅分解纤维素，还将其发酵成产品，如乙醇，所有这些都是一步完成的。这些细菌生长的高温也避免了在无菌条件下工作的需要，因为你需要用较少的嗜热微生物（thermophilic microorganisms）来避免污染。这意味着将树木转化为化学物质的过程可以像传统的工业过程一样运作，使其更有可能被采用。”

通过基于生物的解决方案应对气候变化（Addressing Climate Change Through Bio-Based Solutions）

上述《科学进展》（Science Advances）论文的第一作者、杰克·王教授研究室的博士后研究员丹尼尔•苏利斯（Daniel B Sulis）表示：“气候变化引发的环境灾难凸显了研究减少对化石燃料依赖的方法的紧迫性。”

丹尼尔•苏利斯补充说：“一个有希望的解决方案是利用树木来满足社会对化学品、燃料和其他生物基产品的需求，同时保护地球和人类的福祉。这些发现不仅推动了这一领域的发展，而且为进一步创新利用树木进行可持续的生物基应用（sustainable bio-based applications）奠定了基础。”

这项工作的一部分是在美国北卡罗来纳州立大学的分析仪器设备{Analytical Instrumentation Facility (AIF) at North Carolina State University}完成的，该设备由北卡罗来纳州和美国国家科学基金会{State of North Carolina and the National Science Foundation (award number ECCS-2025064)}支持。AIF是北卡罗来纳研究三角纳米技术网络{North Carolina Research Triangle Nanotechnology Network (RTNN)}的成员，该网络是美国国家纳米技术协调基础设施{National Nanotechnology Coordinated Infrastructure (NNCI)}的一个站点。本研究工作部分得到了美国能源部BER奖（US Department of Energy BER Award DE-SC0022192）、美国农业部美国食品与农业研究院奖（USDA NIFA Award 2018-67201-27716）和古德奈特早期职业奖（Goodnight Early Career Award）的资助。另外也得到了泰国政府（Government of Thailand）、美国国立卫生研究院生物技术培训项目{NIH Biotechnology Traineeships (NIH T32 GM008776-16)}的支持。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Renewable alternatives for nonelectrifiable fossil-derived chemicals are needed and plant matter, the most abundant biomass on Earth, provide an ideal feedstock. However, the heterogeneous polymeric composition of lignocellulose makes conversion difficult. Lignin presents a formidable barrier to fermentation of nonpretreated biomass. Extensive chemical and enzymatic treatments can liberate fermentable carbohydrates from plant biomass, but microbial routes offer many advantages, including concomitant conversion to industrial chemicals. Here, testing of lignin content of nonpretreated biomass using the cellulolytic thermophilic bacterium, Anaerocellum bescii, revealed that the primary microbial degradation barrier relates to methoxy substitutions in lignin. This contrasts with optimal lignin composition for chemical pretreatment that favors high S/G ratio and low H lignin. Genetically modified poplar trees with diverse lignin compositions confirm these findings. In addition, poplar trees with low methoxy content achieve industrially relevant levels of microbial solubilization without any pretreatments and with no impact on tree fitness in greenhouse.