在銀白楊和大齒楊雜交種的葉組織中，科學家們成功表達了阿魏酰輔酶A轉移酶。在這種酶的幫助下，植物能更容易地被用于生物燃料的生產。圖片來源：C. G. Wilkerson, et al. （2014）Science.
在過去的一個世紀，人類對化石燃料的開發和利用極大地推動了社會的發展。但由于面臨能源需求持續增長、原油價格不斷上漲以及化石燃料的使用導致的全球溫室效應等重大問題，開發可再生、可持續的生物能源迫在眉睫。
在遇到能源危機和提出生物能源利用的概念以前，人類使用植物纖維素已有上萬年的歷史了，我們使用它制作衣物、制造紙張和飼養牲畜。現在，科學家再次將目光聚集在纖維素上——這種自然界中含量最多的多糖有望為解決能源問題貢獻力量。日前，一項由威斯康星大學麥迪遜分校生物化學系教授約翰·拉爾夫（John Ralph）負責的研究，在利用轉基因技術改造原料植物，使之更易于投入生產方面有了重大突破。研究論文4月4號發表在《科學》（Science)上[1]。
植物纖維素大多嵌入在植物組織復合體中，而這個復合體中還大量存在著給纖維素使用造成困難的酚醛聚合物——木質素（lignin）[2]。木質素是一類酚類次生代謝產物，在植物體內行使重要的生理功能，但它能影響纖維素水解酶分解纖維素，甚至是吸附聚集這些酶，使得酶解過程難以進行，極大影響生物燃料的生產。難以分解的酚醛聚合物木質素還成為了造紙生產的主要污染物，而引入反應條件劇烈且成本高昂的木質素預處理環節，必然使得整個行業的發展受到影響。同時，它的存在還會降低飼料被牲畜消化吸收的效率。
在過去的幾十年中，研究工作者們一直致力于通過改造植株中的木質素組成，來降低其對工業生產和畜牧造成的影響。是否能通過改造得到自身合成易于處理或消化的木質素的植株，成為整個纖維素利用領域的關鍵[3]。拉爾夫和同事發現，當歸等植物可以產生一種叫做阿魏酸的物質，阿魏酸鹽可以在植物合成木質素過程中“混進”木質素的結構中，并在本來很穩定的高分子長鏈中帶入一個相對容易斷裂的酯鍵，使得原本看似“堅不可摧”的木質素有了“軟肋”。
阿魏酸與木質素作用示意圖。圖上方的鏈條代表普通的木質素，下方的鏈條代表經過改造后植物合成的木質素。圖片來源：C. G. Wilkerson, et al. （2014）Science.
此研究通過提取當歸的總RNA，克隆得到了能夠幫助植物自身在木質素合成時加入阿魏酸的相關基因FMT（編碼阿魏輔酶A轉移酶），并把該基因轉入到楊木的基因組中。“我們也用過擬南芥這種更易于轉化入外源基因的模式植物來進行檢驗。但我們希望使用真正能提供大量生物質的植物，以產出足夠的材料，來在各種不同的處理條件下進行真正的測試。作為模式植物，楊樹能很好地滿足這些要求。”拉爾夫告訴果殼網。轉入FMT基因的轉基因楊木，在外觀上與正常野生株上沒有明顯區別。但通過對木質取樣并使用高效液相色譜檢測，研究者發現，轉入了合成及轉運阿魏酸基因的楊木，合成的木質素中含有阿魏酸，這意味著人為加入的基因能夠成功表達對應蛋白，并且這些蛋白可以發揮預期的功能。
木質素單體與阿魏酸鹽偶聯的生物合成流程圖。圖片來源：C. G. Wilkerson, et al. （2014）Science.
FMT酶能夠將阿魏酰輔酶A與木質素單體偶聯，最終將阿魏酰輔酶A連入木質素長鏈。而隨之被帶入多聚物內的、易于斷裂的酯鏈，使得木質素的裂解處理過程容易很多。研究發現，使用6.25毫摩爾的氫氧化鈉，90℃處理3小時后，木質素含量就減少到滿足進行后續工業生產的標準，而目前常用的處理溫度是160-200℃。因此，使用改進后的楊木木料進行工業生產，可以大大減少木質素處理環節的技術難度和能源成本。
早期的研究者將阿魏酸加入木質素的愿望，在拉爾夫的研究中得到了實現。這使得進一步改造和設計易于利用纖維素和木質素的植物的設想成為了可能。接下來，“我們今年希望對這些轉基因材料做不同的處理測試，并進行一些實際比較，希望拿到這方面的數據。不過現在，它還不能直接投入生產。”拉爾夫向果殼網透露。我們有理由相信，在不久的將來，轉基因植物將在新能源中扮演日益重要的角色。
