导弹和火箭可能很快会散发出松树的香味

基因工程师已成功诱导细菌酿造高能松油精生物燃料。
Rob Felt

为了以更可持续的方式将物体送入太空,研究人员已成功诱导细菌生产一种高度易燃的化合物——松油精。针叶树自然会从其树脂中分泌出这种物质,这也是该植物散发出独特气味的原因之一。松油精*的性能恰好能与 JP-10 相媲美——JP-10 是一种广泛用于商业和军事发射的液体火箭燃料。

因此,不久之后,在头顶飞过的火箭或导弹可能会喷出带有松树香味的尾气。

JP-10 和其他高能火箭燃料均源自石油,价格不菲。(JP-10 的价格约为每加仑 25 美元,并且随着石油需求的增长还在上涨。)与此同时,目前没有任何生物燃料能在市场上与传统火箭燃料竞争。例如,虽然从玉米中提取的乙醇在很大程度上可以替代汽油,但即使是后者这种能量更高的燃料,每加仑的能量也比 JP-10 低约 20%。

2011 年,火箭兼容生物燃料领域取得了突破。当时,海军发现了一些化学物质,可以将两个松油精分子连接(或二聚)在一起,形成一种性能与 JP-10 相似的燃料。 然而,由于砍伐松树林来提取少量松油精并不实用,研究人员此后一直在寻求替代的生产方法。

这项新的研究项目——由佐治亚理工学院和美国能源部联合生物能源研究所合作进行——在前人工作的基础上,将松油精的合成工作转移给了细菌。该团队对大肠杆菌进行了基因工程改造,使其能够生产组装松油精的针叶树来源的蛋白质。

参与这项发表在《ACS 合成生物学》杂志上的新研究的佐治亚理工学院研究员 Stephen Sarria 和 Pamela Peralta-Yahya,向《大众科学》杂志分解了这一过程,分为四个步骤。

首先,研究人员选择了两组酶——松油精合酶和香叶基二磷酸合酶——来生产松油精分子。其次,他们将编码这些酶的基因插入到大肠杆菌的 DNA 中(选择大肠杆菌是因为它是最容易进行基因工程改造的细菌之一)。第三,该团队在大型发酵罐中培养细菌,“这非常类似于酿造啤酒的方式,”Peralta-Yahya 说。在松油精酿造完成后,他们使用海军发现的化学物质将松油精分子二聚化,制成可用于火箭的燃料。*

这种新的细菌驱动的松油精制造方法比任何其他生物过程都好六倍,但产量仍然相当低。“目前我们的理论产率约为 1%,”Peralta-Yahya 说。“要达到商业竞争力,我们需要达到理论产率的约 26%。”

该团队目前面临的最大障碍是松油精合酶本身。酶的产物松油精及其伴随的酶香叶基二磷酸合酶都会抑制松油精的产生。Peralta-Yahya 表示,有两种方法可以解决这个问题:要么改造一种新型松油精合酶,要么降低香叶基二磷酸合酶的浓度。

目前,该团队正在尝试这两种方法,希望能制造出一种“即插即用”的生物燃料,为发射火箭或导弹提供一种更便宜、更可持续的选择,而无需更换发动机或现有基础设施。

更正:松油精二聚体具有与 JP-10 相似的高能量密度,而不是松油精。

更正:海军的研究引入了松油精二聚化的技术,但研究团队在他们的实验中并未进行松油精的二聚化。

 

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