透過調整生命的最小單位，科學家們在生產替代和可再生能源方面取得了更大的進展，最近的努力旨在分子水平的控制和促進分形生長模式，以創造不同的燃料並提高效率。
細菌的大小範圍為0.5到5微米，它們執行的功能可以被利用、增強和改造以生產燃料。當細菌移動、呼吸、進食和繁殖時，它們在以簡單的糖、澱粉和陽光為食的同時，會產生乙醇和氫氣等副產品。細胞本身也可以被收穫作為生物柴油的前體。
在美國能源部聯合生物能源研究所（JBEI），研究人員正在開發利用設計好的RNA分子來控制這些燃料途徑的方法。RNA，像DNA一樣，編碼細胞功能的資訊，但RNA也可以摺疊起來執行任務，如訊號傳導、調節或催化反應。
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改變RNA的摺疊方式可以作為細胞過程中的控制旋鈕——增加、減少或改變特定途徑的活性——但是確定如何使RNA以特定的方式摺疊長期以來一直是一個乏味而艱鉅的過程。
現在，透過使用計算機模擬，James Carothers和他在JBEI的同事們加快了RNA設計階段，建立了計算機工具，這將幫助研究人員設計分子來精確控制細菌中的基因表達，以最佳化燃料生產。
“我們的想法是將這些工程原理應用於形式化設計過程，”Carothers說，他同時也是加州大學伯克利分校定量生物科學研究所的研究科學家。
從模式生物開始該團隊研究了細菌大腸桿菌作為模式生物，比較了28個RNA序列在他們的模型和微生物中的行為。他們發現，他們的計算機預測與細菌對控制系統的反應準確吻合。
“從長遠來看，我們希望能夠從代謝模型開始，然後實施該基因程式，”Carothers說。“與其嘗試進行大量的試錯，不如說，如果你有一個關於途徑應該如何工作的模型，那麼你應該使整個[工程]過程更容易和更有效。”
換句話說，科學家有一天可能能夠使用類似於工程師和建築師使用的計算機輔助繪圖程式的軟體來設計RNA，而不是在數千種細菌培養物中篩選數千個分子。這樣，工程師不僅可以改進天然生物燃料途徑，還可以建立新的途徑。
“生物燃料生產的下一個階段將是擺脫乙醇；它的能量密度不如石油，”Carothers說。Carothers預計，使用這些工具，細菌可以可再生地生產目前已經使用的碳氫化合物，如柴油和航空燃料，從而為化石能源創造“直接替代型”替代品。
去年，JBEI開發了一種從大腸桿菌生產合成柴油燃料的方法，稱為雙abol烷（ClimateWire，2011年9月29日）。研究人員現在已經發現了生產這種燃料的關鍵蛋白質。
雙abol烷途徑實際上來自巨冷杉Abies grandis。這種樹天然產生燃料的前體——雙abol烯，以此來抵抗昆蟲侵擾。科學家將這種機制移植到大腸桿菌中，大腸桿菌更容易控制，只吃糖，繁殖更快，並且可以比A. grandis產生更多的雙abol烯。然後，雙abol烯可以被加工製成雙abol烷。
我們能模仿大自然嗎？然而，在目前的系統中，雙abol烯的生產達到了瓶頸，因為分子機制跟不上原材料的供應。“我們可以生產大量的法尼基焦磷酸（雙abol烯的起始原料），但酶的工作速度不夠快，”JBEI的博士後研究員Ryan McAndrew解釋說。
因此，研究人員決定研究形成雙abol烯的酶，稱為AgBIS。McAndrew和他的同事使用X射線衍射技術確定了酶的結構。他們本月在Structure雜誌上發表了他們的發現。通過了解酶的外觀，科學家可以找到使其工作更好的方法。“我們可以嘗試設計出一些相關的抑制作用，”McAndrew說。
對研究人員來說，有趣的不僅僅是細菌內部發生的事情；細菌菌落結構可能具有對生物燃料生產有用的特性。
丹佛大學物理與天文系的副教授Sean Shaheen是一個團隊的成員，該團隊最近獲得了科學研究公司（Research Corporation for Science Advancement）的資助，以研究細菌分形如何更有效地生產氫氣和生物柴油。
“我們想問一個基本問題，即分形幾何是否比在大的團塊中生長的菌落更有用，”Shaheen說。分形是在自然界中經常發現的在多個尺度上重複的模式，例如在樹枝或景觀中。就幾何形狀而言，每個子部分與整體相似或相同。在生命系統中，這些模式隨著生物體的繁殖、生長和發育而出現。
Shaheen和他的同事推斷，細菌以分形形狀生長肯定有一些好處，因此他們正在研究分形幾何是否可以為生物燃料帶來好處。“我們的想法是利用細菌菌落創造一種最佳化的形態，”Shaheen說。
研究人員正在研究像Paenibacillus dendritiformis這樣的細菌，它形成圓形、扇形的菌落，測量其吸收養分和生產有用產品的效率。如果他們的假設被證明是正確的，那麼該團隊將對細菌進行分形生長工程改造，使其更有效地製造燃料，最佳化其生長模式。
經Environment & Energy Publishing, LLC.許可，轉載自Climatewire。www.eenews.net, 202-628-6500