研究人员对杨树进行基因改造使其能够合成有价值的化学物质角鲨烯这种物质通常来自鲨鱼肝脏

杨树、鲨鱼和生物燃料有什么共同点?虽然这听起来有点像谜语，但密歇根州立大学生物化学家领导的团队报告了有关这三种生物在寻求更清洁能源方面令人兴奋的发现。

该团队的最新论文发表在《植物生物技术杂志》上，探讨了杨树如何进行改造，以生产一种通常从鲨鱼肝脏中获取的极有价值的化学物质。

对杨树进行基因改造以生产这种化学物质将极大地提高其作为生物燃料来源的经济可行性，同时还有助于减少破坏性的鲨鱼捕捞。

“我认为这个项目真正凸显了我们如何以新的方式利用工业作物，”该论文的第一作者、密歇根州立大学研究员BjörnHamberger实验室的前博士生JakeBibik说。

“使用杨树等转基因非粮食作物可能为生产通常来自化石燃料的化学物质提供一种更可持续的替代方案的化学品，甚至是新型特种化学品，提供更可持续的替代方案。”

物超所值

杨树本身具备成为成功的生物燃料原料的几个条件。

它们在非农业用地上快速生长，其生物量——有机物质储存能量的

最大的挑战之一归结于简单的经济因素。“生物燃料仍然无法与现有的廉价石油化工产品相竞争，”自然科学学院生物化学和分子生物学系詹姆斯·K·比尔曼特聘教授汉伯格说。

汉伯格还是五大湖生物能源研究中心(GLBRC)的联合研究员，该中心是威斯康星大学麦迪逊分校领导的生物能源研究机构。

GLBRC的科学家长期以来一直在寻找从生物质中提取其他高价值产品的方法。研究表明，杨树可以成为对氨基苯酚的可行来源，这种苯酚可用于制造染料、粘合剂和其他聚合物，以及泰诺的有效成分对乙酰氨基酚。

密歇根州立大学的BjörnHamberger是研究萜烯类特殊代谢物的专家。长期以来，人类一直利用这些化合物作为药物、化妆品和调味品。图片来源：密歇根州立大学

2015年，汉伯格加入该中心时，他建议研究萜烯，这是一类植物用于独特环境相互作用(例如吸引传粉者或防御害虫)的化合物。

“萜烯是地球上最古老、最大的一类特殊代谢物，”汉伯格说，他也是密歇根州立大学分子植物科学、遗传学和基因组科学以及细胞和分子生物学项目的教员。

“由于它们对于各种互动都很重要，因此它们的多样性已经达到惊人的程度，其中产生的化学反应令人难以置信。”

萜烯已被人类使用了数千年，已被证明具有抗炎、抗菌、抗癌和抗菌特性，并且是调味剂、化妆品和香水中的关键成分，仅举几例。

Bibik、Hamberger和他们的合作者的目标是角鲨烯这种萜烯，它是一种广泛用于化妆品的有机化合物，也是疫苗的关键成分。

如今，大部分角鲨烯都来自鲨鱼肝脏——事实上，这种化学物质的名称甚至源于拉丁语中表示鲨鱼的单词“squalus”。

在该项目期间，研究小组对杨树进行了改造，使其通过两种不同的化学途径生产角鲨烯。

其中一条途径利用细胞中心的凝胶状物质，即细胞质，而另一条途径则试图在叶绿体(负责光合作用的细胞器)中产生角鲨烯。

不列颠哥伦比亚大学的肖恩·曼斯菲尔德教授是杨树转化方面的专家，也是最新论文的合作者，他说：“汉伯格和他的团队通过把碳从常规代谢中转移出来，在独特的杨树组织和液滴中制造出特殊的化学物质，采用了一种高度创新的策略，将树木变成了生物工厂。”

“能够参与这个极具新颖性和前瞻性的项目让我非常兴奋。”

虽然发现细胞质途径会干扰杨树根部的形成，但叶绿体途径却导致每克叶子中产生0.63毫克的角鲨烯。

有了这个令人鼓舞的结果，是时候进行汉伯格所说的“现实检验”了。

寻求升级

研究小组与普林斯顿大学化学与生物工程学教授克里斯托斯·马拉维利亚斯(ChristosMaravelias)合作，接下来进行了一项分析，以确定杨树生产的角鲨烯需要以什么样的最低销售价格出售才能实现收支平衡。

研究人员发现，这一价格为每公斤144美元。而从鲨鱼中提取的角鲨烯的价格为每公斤40美元。

汉伯格说：“如果你想向客户销售绿色产品，它不仅要绿色，还必须是价格实惠的。”

“幸运的是，有几种方法可以提高其价值。一种方法是增加总产量，另一种方法将我们带入香水和另一种海洋动物产品——龙涎香的酷炫世界。”

龙涎香是在抹香鲸的消化系统中产生的，可用于香水中以延长香味。

汉伯格表示，应该有可能将角鲨烯“升级”为龙涎素，龙涎素是另一种高价值萜烯，也是龙涎香的成分。科学家已经证明，细菌可以通过基因改造产生龙涎素，这为进一步研究杨树如何产生龙涎素铺平了道路。

此外，密歇根州立大学的另一位论文合作者汤姆·沙基(TomSharkey)表示，经过基因改造可以生产角鲨烯的杨树会排放出更少的异戊二烯气体，从而间接加剧温室效应。

“杰克、比约恩和他们的同事正在研究一种可能最有希望的方法，用于制造特种化学品和燃料，而当只有液体燃料时才能实现的场合，例如喷气式飞机旅行，”BMB大学杰出教授Sharkey说道。Sharkey还隶属于密歇根州立大学能源系植物研究实验室和植物恢复力研究所。

凭借这些集体发现，研究人员在将杨树转化为更具吸引力的生物燃料和有价值化合物来源方面取得了新突破。

对于现任生物技术公司MelaTech高级科学家的Bibik来说，该团队的发现最终是我们利用地球生化多样性解决一些最大挑战的又一步。

“我认为这项工作为将植物工程和萜类化合物研究转化为有意义的生物技术奠定了必要的基础。”

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