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您可能以前听说过这种说法：下一代生物燃料将从纤维素植物材料中提取。而且，从理论上讲，这是有道理的。虽然乙醇可以通过玉米或甘蔗等粮食作物中简单糖的发酵来生产，但从更便宜、更丰富的非粮食来源（如柳枝稷、芒草或木片）中制造燃料会更经济。问题是？目前分解纤维素（绿色植物中主要的结构成分，一种纤维状复合糖）的方法过于昂贵。
为了降解坚韧的植物材料，工程师们使用从生物体（如白蚁）中分离出的酶，这些生物体依赖于分子机器将富含纤维素的食物转化为更简单的、可消化的糖。但目前可用的酶效率不够高，无法使纤维素到燃料的转化物有所值。“如果这个行业要向前发展，就需要新的酶，”美国能源部联合基因组研究所所长 埃迪·鲁宾 说。鲁宾和 16 位同事在 1 月 28 日出版的 科学 杂志上报告了他们如何通过分析从牛瘤胃（动物四室胃的第一个腔室，也是大量微生物的家园，这些微生物配备了强大的酶，有助于消化其牛科宿主所消耗的草）中收集的 DNA，发现了近 30,000 种新的酶候选物。
研究人员使用了一头通过手术放置了导管（称为瘘管）的牛，这使他们可以直接进入瘤胃。正如鲁宾解释的那样，“经过数百万年的进化，为了换取在牛体内的住所，这些生物体通过为宿主提供分解的纤维素（牛可以用作能量底物的糖）来很好地支付了‘租金’。”
为了收集瘤胃微生物以便分析它们的遗传物质，该小组将装满柳枝稷（备受炒作的下一代生物燃料原料）的尼龙袋通过瘘管放入牛的瘤胃中。消化植物的生物体然后“粘附”到柳枝稷上，72 小时后，“我们会取出整个袋子里的物质，并提取附着在其上的 DNA，”鲁宾解释说。与传统的体外酶分离方法（微生物在实验室培养箱中生长）相比，这种实验装置是创新的——鲁宾指出，这种方法对这些微生物不起作用。“它们在牛的腹部非常快乐，但在你的培养箱中却不太快乐。”
然后，该小组分离了收集到的 DNA，由于它来自数百个不同的生物体，因此就像“一大堆拼图”，鲁宾指出。接下来，研究人员使用高通量测序技术，“能够从这些拼图中组装出大的碎片”。
总而言之，该项目产生了近 2700 亿个 DNA 碱基——几乎是整个人类基因组所含碱基数量的 100 倍。在功能强大的计算机的帮助下，该小组通过本质上扫描拼图碎片中类似于编码先前记录的“碳水化合物活性”酶的基因的序列，分析了这堆海量数据。通过这种分析，研究人员鉴定出 27,755 个基因，这些基因与纤维素生物燃料生产的应用具有足够好的匹配度，可以作为可行的候选基因。
然后，研究人员选择了 90 个候选基因，表达它们以产生它们编码的酶，然后将这些分子机器应用于纤维素生物燃料原料芒草和柳枝稷。超过一半的子集显示出降解至少一种原料的能力，研究作者表示，这表明更大的候选物库“高度富集”了其活性可能在生物燃料生产中有用的酶。
最后，该小组将他们的计算结果与从牛瘤胃中分离出的实际单细胞生物的基因组进行了核对。虽然他们无法在实验室中培养该细胞，但他们可以对其基因组进行测序，并且它几乎完全与他们之前拼凑在一起的基因组拼图碎片相匹配，这“在某种程度上证明了我们组装的单个基因组是真实的”，鲁宾说。
鲁宾说，这项研究应该对生物燃料行业非常有价值，因为它极大地扩充了已知酶的库。“在这项研究中，我们可能已经使与纤维素降解相关的[已记录]酶的数量增加了一倍，”他说。除了新型酶外，该数据库还收录了以前未研究过的生物体的完整基因组，这些生物体可以分解植物材料，但之前一直无法培养它们。生物燃料研究人员现在可以像生物医学研究人员参考人类基因组以加速人类疾病研究一样使用这些信息，他说。
该研究还显示了这种直接、高强度分析从环境中采集的样本中的遗传物质的用途。鲁宾指出，这种称为宏基因组学的方法除了与生物燃料生产相关的信息外，还获得了许多潜在有用的信息。“在本文中，我们专注于参与植物材料分解的酶，但在这个数据集中存在各种不同的活性，”他说。“因此，这确实是一种观察自然界中存在的功能多样性的不同方式。”