樸實無華木質素，華麗轉身變高大上化學品
材料牛注：沒想到你是這種“只啃皮”的細菌！科學家目前發現，土壤中的獨特細菌可用于木質素的開采，這項研究將有利于探索人類巨大資源寶庫！
木楔富有能量但被束縛得十分緊致，以至于釋放其中能量的唯一方式只有燃燒一種——多年以來，科學家對木質素束手無策；在一種獨特的土壤細菌的幫助下，桑迪亞國家實驗室的研究者們認為他們現在已經知道如何開采木質素了，這對于生物燃料生產經濟來說將是一次重大轉變。
木質素是木質纖維素生物質的一種成分，事實上，它在干枯的植物中隨處可見。作為一種生物質源泉，木質素并不和食品或者飼料形成競爭關系，木質素對生物燃料生產至關重要，它也構成了植物堡壘般的細胞壁，可以使得植物在反重力的狀態下運輸水，同時能夠保護植物免受微生物侵蝕和環境壓迫。這些優勢使得木質素難以被破壞，同樣更難轉變成有價值的結構。
桑迪亞的Seema Singh帶領的研究團隊跟蹤了一種獨特的土壤細菌新陳代謝過程，并研發出一種打破木質素的技術并且取出其中有價值的化學物質，比如說具有高價值的己二烯酸和二烯酸。Singh介紹到：“木質素是一種待開發的資源。作為高價值的化學品基礎，它具有巨大的價值。而這些高價值的化學品又是聚氨酯、尼龍和其他生物塑料的基礎。”
研究成果已經以論文的形式，以“解碼土壤細菌是如何提取有利物質，木質素溶液中的代謝能為木質素限價提供路徑圖”為標題，發表在9月15日的Proceeding of National Academy of Sciences期刊上。
化工生產是生物提煉經濟的關鍵
生物燃料不僅僅只是因為石油的生產成本高就取代它。
而是如果你將高價值化學物質的產物加入生物提煉技術的商業模式中，經濟將會陷入一個如同煉油產業一般的局面：原油被用來生產我們生活所需的高價值化學品和高容量高分子材料。
Singh表示：“原油是一種低價值、高容量的產物，通過從每桶原油中提取6%-10%的高價值的化學品，可實現這種平衡。”
木質素看起來似乎是有限使用的副產品，主要是通過燃燒而獲取其中的能量。在化學生產過程中，使用生物質能的效率比燃燒生電高出十倍。
利用木質素
研究者們通過觀察自然得到了破解木質素的靈感。
Singh解釋道：“我們知道長期以來，真菌和細菌可以“制服”木質素，如果我們洞悉這個過程，我們就可以利用自然中已知的生物燃料和化學生產來對付木質素。”
因為細菌對于工業生產所需化學物質來說是更容易操作的對象，所以研究者們重點關注于細菌。最佳的候選細菌是鞘脂菌屬和SYK-6，從木質素豐富的廢液中到木材紙漿物中都能檢測到這兩種細菌。
其中SYK-6尤為有趣，因為它僅僅以木質素為生。微生物通常以糖類為生。這樣更容易侵蝕并從中提取出能量。設想一下，細菌面對的選擇是吃一個玉米粒還是吃玉米皮，便更易理解。
Singh說：“在熱力學上，這種細菌追求木質素而不是糖類是無法解釋的，木質素不像糖類一樣能使細菌進行新陳代謝。那么，它是如何存貨的呢？我們發現SYK-6必須具備一種獨特的機制去打破聚合物木質素的緊密聯系。”
跟蹤新陳代謝過程
正如追蹤錢的來源是調查腐敗的關鍵一般，研究者著手跟蹤碳元素去探索SYK-6是如何利用木質素的。當細菌分解木質素時，它通過各種不同的途徑來處理代謝產物。從始至終，研究人員通過跟蹤碳元素完善了許多知識網絡，比如一種稱之為代謝通量分析的研究方法，研究者希望通過這種方法跟蹤新陳代謝過程。
Singh說：“這是第一次將代謝通量分析方法運用于追蹤木質素在微生物中的新陳代謝過程，這種方法對于辨別和定位標記碳物質的來源是難以替代的。”
因為新陳代謝過程的復雜性，進行的實驗不會立馬得到答案，Singh將這個過程描述為：將這些最迷人的困惑集中在一起，然后分析研究它。桑迪亞小組的論文報道表明這種方法已能破譯SYK-6的新陳代謝過程。
通過化學品來穩定木質素的價格
接下來的步驟是設計微生物的培養皿來利用SYK-6的新陳代謝過程。這種伎倆將會阻礙SYK-6用正確的方式提取有效產物。平臺化學物質的目標是能夠將其利用并提取出諸如己二烯酸和己二酸一樣有價值的化學物質。
一種探索的方式是通過基因工程使得SYK-6在平臺化學物質從中提取木質素時停止它的新陳代謝過程。另外一種途徑就是將SYK-6中和與新陳代謝相關的基因拼接到強大的工業化宿主上（像大腸桿菌），以獲得所需的燃料和化學物質。Singh和其他研究者希望可以同時研究這兩種方式。
Singh表示：“通過全新的視角來研究管狀木質素，現在我們已經知道如何從木質素中提取有價值的物質，巨大的資源將展現在我們面前，解碼SYK-6新陳代謝過程為穩定木質素的價格提供了路徑。”
原文鏈接：Turning ubiquitous lignin into high-value chemicals
本文由編輯部楊超提供素材，謝曉靖編譯，黃超審核；點我加入材料人編輯部。
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