通过调整生命的最小单位，科学家们在生产替代和可再生能源方面取得了更大的进展，最近的努力旨在分子水平的控制和促进分形生长模式，以创造不同的燃料并提高效率。
细菌的大小范围为0.5到5微米，它们执行的功能可以被利用、增强和改造以生产燃料。当细菌移动、呼吸、进食和繁殖时，它们在以简单的糖、淀粉和阳光为食的同时，会产生乙醇和氢气等副产品。细胞本身也可以被收获作为生物柴油的前体。
在美国能源部联合生物能源研究所（JBEI），研究人员正在开发利用设计好的RNA分子来控制这些燃料途径的方法。RNA，像DNA一样，编码细胞功能的信息，但RNA也可以折叠起来执行任务，如信号传导、调节或催化反应。
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改变RNA的折叠方式可以作为细胞过程中的控制旋钮——增加、减少或改变特定途径的活性——但是确定如何使RNA以特定的方式折叠长期以来一直是一个乏味而艰巨的过程。
现在，通过使用计算机模拟，James Carothers和他在JBEI的同事们加快了RNA设计阶段，创建了计算机工具，这将帮助研究人员设计分子来精确控制细菌中的基因表达，以优化燃料生产。
“我们的想法是将这些工程原理应用于形式化设计过程，”Carothers说，他同时也是加州大学伯克利分校定量生物科学研究所的研究科学家。
从模式生物开始该团队研究了细菌大肠杆菌作为模式生物，比较了28个RNA序列在他们的模型和微生物中的行为。他们发现，他们的计算机预测与细菌对控制系统的反应准确吻合。
“从长远来看，我们希望能够从代谢模型开始，然后实施该基因程序，”Carothers说。“与其尝试进行大量的试错，不如说，如果你有一个关于途径应该如何工作的模型，那么你应该使整个[工程]过程更容易和更有效。”
换句话说，科学家有一天可能能够使用类似于工程师和建筑师使用的计算机辅助绘图程序的软件来设计RNA，而不是在数千种细菌培养物中筛选数千个分子。这样，工程师不仅可以改进天然生物燃料途径，还可以创建新的途径。
“生物燃料生产的下一个阶段将是摆脱乙醇；它的能量密度不如石油，”Carothers说。Carothers预计，使用这些工具，细菌可以可再生地生产目前已经使用的碳氢化合物，如柴油和航空燃料，从而为化石能源创造“直接替代型”替代品。
去年，JBEI开发了一种从大肠杆菌生产合成柴油燃料的方法，称为双abol烷（ClimateWire，2011年9月29日）。研究人员现在已经发现了生产这种燃料的关键蛋白质。
双abol烷途径实际上来自巨冷杉Abies grandis。这种树天然产生燃料的前体——双abol烯，以此来抵抗昆虫侵扰。科学家将这种机制移植到大肠杆菌中，大肠杆菌更容易控制，只吃糖，繁殖更快，并且可以比A. grandis产生更多的双abol烯。然后，双abol烯可以被加工制成双abol烷。
我们能模仿大自然吗？然而，在目前的系统中，双abol烯的生产达到了瓶颈，因为分子机制跟不上原材料的供应。“我们可以生产大量的法尼基焦磷酸（双abol烯的起始原料），但酶的工作速度不够快，”JBEI的博士后研究员Ryan McAndrew解释说。
因此，研究人员决定研究形成双abol烯的酶，称为AgBIS。McAndrew和他的同事使用X射线衍射技术确定了酶的结构。他们本月在Structure杂志上发表了他们的发现。通过了解酶的外观，科学家可以找到使其工作更好的方法。“我们可以尝试设计出一些相关的抑制作用，”McAndrew说。
对研究人员来说，有趣的不仅仅是细菌内部发生的事情；细菌菌落结构可能具有对生物燃料生产有用的特性。
丹佛大学物理与天文系的副教授Sean Shaheen是一个团队的成员，该团队最近获得了科学研究公司（Research Corporation for Science Advancement）的资助，以研究细菌分形如何更有效地生产氢气和生物柴油。
“我们想问一个基本问题，即分形几何是否比在大的团块中生长的菌落更有用，”Shaheen说。分形是在自然界中经常发现的在多个尺度上重复的模式，例如在树枝或景观中。就几何形状而言，每个子部分与整体相似或相同。在生命系统中，这些模式随着生物体的繁殖、生长和发育而出现。
Shaheen和他的同事推断，细菌以分形形状生长肯定有一些好处，因此他们正在研究分形几何是否可以为生物燃料带来好处。“我们的想法是利用细菌菌落创造一种优化的形态，”Shaheen说。
研究人员正在研究像Paenibacillus dendritiformis这样的细菌，它形成圆形、扇形的菌落，测量其吸收养分和生产有用产品的效率。如果他们的假设被证明是正确的，那么该团队将对细菌进行分形生长工程改造，使其更有效地制造燃料，优化其生长模式。
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