關於支援科學新聞業
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞業 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保關於塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
您可能以前聽說過這種說法：下一代生物燃料將從纖維素植物材料中提取。而且，從理論上講，這是有道理的。雖然乙醇可以透過玉米或甘蔗等糧食作物中簡單糖的發酵來生產，但從更便宜、更豐富的非糧食來源（如柳枝稷、芒草或木片）中製造燃料會更經濟。問題是？目前分解纖維素（綠色植物中主要的結構成分，一種纖維狀複合糖）的方法過於昂貴。
為了降解堅韌的植物材料，工程師們使用從生物體（如白蟻）中分離出的酶，這些生物體依賴於分子機器將富含纖維素的食物轉化為更簡單的、可消化的糖。但目前可用的酶效率不夠高，無法使纖維素到燃料的轉化物有所值。“如果這個行業要向前發展，就需要新的酶，”美國能源部聯合基因組研究所所長 埃迪·魯賓 說。魯賓和 16 位同事在 1 月 28 日出版的 科學 雜誌上報告了他們如何透過分析從牛瘤胃（動物四室胃的第一個腔室，也是大量微生物的家園，這些微生物配備了強大的酶，有助於消化其牛科宿主所消耗的草）中收集的 DNA，發現了近 30,000 種新的酶候選物。
研究人員使用了一頭透過手術放置了導管（稱為瘻管）的牛，這使他們可以直接進入瘤胃。正如魯賓解釋的那樣，“經過數百萬年的進化，為了換取在牛體內的住所，這些生物體透過為宿主提供分解的纖維素（牛可以用作能量底物的糖）來很好地支付了‘租金’。”
為了收集瘤胃微生物以便分析它們的遺傳物質，該小組將裝滿柳枝稷（備受炒作的下一代生物燃料原料）的尼龍袋透過瘻管放入牛的瘤胃中。消化植物的生物體然後“粘附”到柳枝稷上，72 小時後，“我們會取出整個袋子裡的物質，並提取附著在其上的 DNA，”魯賓解釋說。與傳統的體外酶分離方法（微生物在實驗室培養箱中生長）相比，這種實驗裝置是創新的——魯賓指出，這種方法對這些微生物不起作用。“它們在牛的腹部非常快樂，但在你的培養箱中卻不太快樂。”
然後，該小組分離了收集到的 DNA，由於它來自數百個不同的生物體，因此就像“一大堆拼圖”，魯賓指出。接下來，研究人員使用高通量測序技術，“能夠從這些拼圖中組裝出大的碎片”。
總而言之，該專案產生了近 2700 億個 DNA 鹼基——幾乎是整個人類基因組所含鹼基數量的 100 倍。在功能強大的計算機的幫助下，該小組透過本質上掃描拼圖碎片中類似於編碼先前記錄的“碳水化合物活性”酶的基因的序列，分析了這堆海量資料。透過這種分析，研究人員鑑定出 27,755 個基因，這些基因與纖維素生物燃料生產的應用具有足夠好的匹配度，可以作為可行的候選基因。
然後，研究人員選擇了 90 個候選基因，表達它們以產生它們編碼的酶，然後將這些分子機器應用於纖維素生物燃料原料芒草和柳枝稷。超過一半的子集顯示出降解至少一種原料的能力，研究作者表示，這表明更大的候選物庫“高度富集”了其活性可能在生物燃料生產中有用的酶。
最後，該小組將他們的計算結果與從牛瘤胃中分離出的實際單細胞生物的基因組進行了核對。雖然他們無法在實驗室中培養該細胞，但他們可以對其基因組進行測序，並且它幾乎完全與他們之前拼湊在一起的基因組拼圖碎片相匹配，這“在某種程度上證明了我們組裝的單個基因組是真實的”，魯賓說。
魯賓說，這項研究應該對生物燃料行業非常有價值，因為它極大地擴充了已知酶的庫。“在這項研究中，我們可能已經使與纖維素降解相關的[已記錄]酶的數量增加了一倍，”他說。除了新型酶外，該資料庫還收錄了以前未研究過的生物體的完整基因組，這些生物體可以分解植物材料，但之前一直無法培養它們。生物燃料研究人員現在可以像生物醫學研究人員參考人類基因組以加速人類疾病研究一樣使用這些資訊，他說。
該研究還顯示了這種直接、高強度分析從環境中採集的樣本中的遺傳物質的用途。魯賓指出，這種稱為宏基因組學的方法除了與生物燃料生產相關的資訊外，還獲得了許多潛在有用的資訊。“在本文中，我們專注於參與植物材料分解的酶，但在這個資料集中存在各種不同的活性，”他說。“因此，這確實是一種觀察自然界中存在的功能多樣性的不同方式。”