美国新方法利用微生物的“不良习性”生产出36倍的生物基航空燃料

美国新方法利用微生物的“不良习性”生产出36倍的生物基航空燃料

人工智能学家

从十年研发周期压缩到几周时间，从数百人的团队缩减到小型工作组，微生物工程正在经历一场由人工智能和生物传感器驱动的革命。美国联合生物能源研究所的科学家们用两种截然不同的策略，将航空燃料前体物质异戊二烯醇的产量提升了5倍到36倍，为航空业的脱碳之路打开了新窗口。

这项发表于2025年的研究聚焦于异戊二烯醇，这种透明的挥发性醇类物质可以转化为二甲基环辛烷。DMCO不仅是一种高性能喷气燃料，其能量密度比传统石油基燃料高出6.7%，密度达到0.827千克每升。更高的能量密度意味着飞机可以携带更少的燃料飞行更远距离，或在相同航程下减轻重量提高效率。

在电池技术尚未突破能量密度瓶颈的当下，合成航空燃料成为民航业实现碳中和的关键路径。但传统微生物工程开发周期漫长，商业化成本高昂，成为制约产业化的主要障碍。

机器人一分钟完成的工作

第一种方法将人工智能与实验室自动化深度融合。研究团队由JBEI的Taek Soon Lee和Héctor García Martín领导，他们构建了一套自动化流程来替代人类直觉驱动的代谢工程。

核心装置是一台定制的微流控电穿孔设备。这台机器可以在不到一分钟内将遗传物质同时插入384个恶臭假单胞菌菌株，而人工操作通常需要数小时。速度的提升不仅节省时间，更重要的是实现了持续的学习循环。

机器学习模型分析蛋白质测量数据，利用CRISPR干扰技术建议需要调整的特定基因组合。研究团队在几周内完成了六个工程循环，测试了数百种基因设计，最终找到了能将异戊二烯醇产量提高五倍的基因组合。这种速度是传统手工方法的10到100倍。

García Martín表示，如果这些方法得到广泛应用，可能会重塑整个行业。以前开发一种新的生物产品需要十年时间和数百人，现在小型团队可以在一年或更短时间内完成。

让细菌为自己打分

第二种方法更加巧妙，它利用了恶臭假单胞菌的一个&;坏习惯&;。这种微生物在生产异戊二烯醇的同时，会将自己生产的燃料吃掉。由Thomas Eng领导的团队没有试图消除这个问题，而是将其转化为强大的筛选工具。

研究人员鉴定出恶臭假单胞菌用于检测异戊二烯醇的两种蛋白质，并将这套系统改造成生物传感器。关键的一步是将传感器与生存必需基因连接起来，创造出一个只有高产菌株才能存活的选择系统。产量越高的细菌越容易存活和繁殖，产量低的则被自然淘汰。

由于目前电池的能量密度不足以满足飞行需求，因此正在开发这种合成替代材料以满足航空业的需求。（示意图）Natnan Srisuwan/GettyImages

这种方法使团队能够在无需人工测量的情况下筛选数百万个变体。最终结果令人震惊：燃料产量提高了36倍。更重要的是，这个过程揭示了一个以前未知的代谢机制。高产菌株在葡萄糖耗尽后，会重新调整代谢途径来利用氨基酸，从而维持异戊二烯醇的持续生产。

这种发现正是广度优先策略的优势所在。传统方法依赖已知的基因靶点进行优化，而生物传感器驱动的筛选可以发现那些隐藏的、未被研究的代谢途径。

从实验室到工业规模

两种方法各有优势又相互补充。人工智能驱动的自动化适合对已知基因靶点进行深度优化，快速迭代改进。生物传感器驱动的筛选则擅长广泛发现，挖掘那些研究者尚未意识到的调控机制。

研究团队目前正致力于将这些优化的微生物菌株从实验室环境转移到工业发酵系统。实验室条件下的高产量并不等同于工业化的成功，放大过程往往会遇到各种意想不到的挑战，包括营养供应、氧气传递、温度控制和代谢副产物积累等问题。

DMCO作为航空燃料的前景已经得到验证。研究表明，这种生物基燃料不仅能量密度更高，还具有更低的黏度和良好的低温流动性。生命周期分析显示，如果使用玉米秸秆等农业废弃物作为原料，DMCO的碳足迹可以显著低于传统航空煤油。

航空业正面临着巨大的脱碳压力。国际航空运输协会承诺到2050年实现净零碳排放，而可持续航空燃料被视为近中期最现实的解决方案。然而，目前可持续航空燃料的产量仅占全球航空燃料消耗的不到1%，价格是传统燃料的2到5倍。

JBEI开发的这两种方法不仅适用于航空燃料，还可以推广到其他生物基化学品的生产。无论是生物塑料、医药中间体还是高值化学品，都可以从这种快速高效的微生物工程平台中受益。随着技术的成熟和成本的下降，生物制造有望在更多领域替代石化生产路线。