生物燃料研究人员开发出一种机制，可能提高柴油、乙醇甚至药物等产品的产量。
大规模培养细菌、藻类和植物已经极具挑战性；让他们做他们通常不做的事情，比如制造燃料，则更难。
科学家们必须选择和调整分子途径，使细胞产生足够有用的产品，以在经济上可行。但是，这些经过修改的途径是脆弱的，容易受到生物体环境变化的影响。这些产品及其前体也可能对产生它们的细胞有毒。
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以酵母为例。真菌将糖发酵成乙醇，这是酿造葡萄酒和啤酒的过程。然而，乙醇，一种酒精，会毒害酵母，即使是专门培育的菌株也只能耐受环境中高达 20% 的酒精浓度，之后它们就会死亡。
要酿造更烈的酒，您必须蒸馏液体，这是一个非常耗能的过程，因为它涉及煮沸和冷凝产品。
发动机需要非常纯净的能源，因此 20% 的燃料浓度根本不够用。然而，将生物产品纯化到可用水平会使生产成本提高到大多数人愿意支付的价格之上，但借助一种新的分子控制系统，研究人员期望能够改造出更强健的微生物并提高生物燃料产量，使活生物体成为更可行的能源。
防止细胞自我中毒
加利福尼亚州联合生物能源研究所 (JBEI) 的科学家开发了一种动态传感器-调节器系统 (DSRS)。它就像一个减震器，在化学物质产量达到有毒水平之前减缓细胞内的化学物质生产，并在情况好转时重新加速生产。使用 DSRS 的生物体存活时间更长，并产生更多燃料。该团队上个月在《自然生物技术》杂志上发表了他们的发现。
在本案例中，研究人员使用了一种经过改造的大肠杆菌菌株，以生产柴油燃料。JBEI Keasling 实验室的博士后研究员兼该报告的主要作者张福忠解释说，在之前的实验中，生物燃料的产量未能充分发挥其潜力。
“为了接近理论极限，您必须非常出色地平衡许多因素，”他说。
虽然柴油产品本身对大肠杆菌的危害不大，但其几种前体，如脂肪酸和乙醇，在高浓度下可能会损害细胞。因此，挑战在于如何在不让中间产物积累的情况下生产足够的燃料。
由于它们是活生物体，细胞也不能忽视其基本功能，如收集能量、排泄废物和复制自身。因此，简单地将生物燃料产量提高到 10 倍是无效的。这就是 DSRS 发挥作用的地方。
“大自然已经为我们进化出许多天然存在的传感器，”张说。“在我们的案例中，我们使用了一种完全合成的方法，我们从基本的生物元件中对其进行了工程改造。”
研究人员使用了一种对高前体浓度做出反应的分子，触发细胞产生酶，将中间分子转化为最终的柴油产品，然后才变得有毒。经过 DSRS 工程改造的细菌产生的燃料比没有 DSRS 的细菌多出三倍。
细菌运行的炼油厂
JBEI 和加州大学伯克利分校的研究科学家，也是该论文的合著者詹姆斯·卡罗瑟斯表示，这些结果具有普遍适用性，可用于其他途径，不仅可以制造燃料，还可以制造胰岛素等药物。
此外，卡罗瑟斯表示，拥有动态传感器为工程师在调整细胞时提供了一些回旋余地。因此，科学家在工程改造过程中不必精确地平衡生物体中的每个过程，而是可以依靠 DSRS 来补偿细胞条件的变化。这使得微生物更具弹性，并为更多实验打开了大门。
然而，将这种方法应用于其他机制存在一些障碍。“这个系统最大的挑战是，您首先必须拥有可用的传感器。并非总是存在可用的传感器，”张说，他解释说，自然界中可能不存在特定的调节机制，因此科学家将不得不设计一种人工机制，这绝非易事。
未来，能源公司可以直接从装有 DSRS 工程细菌的大桶中撇取生物燃料，而无需目前所需的所有处理过程。卡罗瑟斯表示，该团队现在将致力于提高传感器的效率，并尝试将其应用于其他有用分子的途径。
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