树木是地球陆地上最丰富的自然资源，北卡罗来纳州立大学的科学家和工程师们正在寻找方法将其用作可持续的、对环境无害的替代品来代替从石油中提取工业化学品。

木质素是一种聚合物，它能使树木变得坚硬，并能抵抗降解，但事实证明，它存在问题。现在，北卡罗来纳州立大学的研究人员知道了原因。他们确定了木质素的特定分子特性——其甲氧基含量——这决定了利用微生物发酵将树木和其他植物转化为工业化学品的难易程度。

《科学进展》杂志上详细介绍这一发现的论文的通讯作者罗伯特·凯利说，这一发现使我们向利用树木制造工业化学品的目标又迈进了一步，这是一种经济和环境上可持续的石油化学品替代品。

凯利的研究小组此前已证明，某些在黄石国家公园温泉等地繁衍生息的极端嗜热细菌可以降解树木中的纤维素，但“降解程度不大”，他说。“换句话说，降解程度还达不到生产工业化学品的经济和环境意义。”

正如凯利所解释的，“事实证明，这不仅仅是低木质素的原因。”

为了解决树木木质素含量高的问题，北卡罗莱纳州立大学生物技术项目主任、化学与生物分子工程系美国铝业公司教授凯利与北卡罗莱纳州立大学自然资源学院森林生物技术项目负责人杰克·王副教授合作了 10 多年。王教授还是北卡罗莱纳州植物科学计划的一名教员。

据2023 年《科学》杂志报道，王和他的同事利用 CRISPR 基因组编辑技术培育出了木质素含量和成分经过修饰的杨树。他们之所以专注于杨树，是因为它们生长迅速，几乎不需要使用杀虫剂，而且生长在难以种植粮食作物的边际土地上。

Kelly 的团队发现，这些 CRISPR 编辑的树木中，有些(但不是全部)在微生物降解和发酵方面表现良好。正如他的前博士生 Ryan Bing 所解释的那样，事实证明这些细菌对不同类型的植物有不同的喜好。

“我们可以利用黄石国家公园等地温泉中某些嗜热细菌的能力，以植物为食，并将其转化为有用的产品。然而，这些细菌对不同类型的植物有不同的胃口，”宾说，他目前在弗吉尼亚州斯特林的 Capra Biosciences 担任高级代谢工程师。

“问题是为什么?是什么让一种植物比另一种植物更好?”他解释道。“我们通过观察这些细菌如何吃掉不同成分的植物物质找到了答案。”

在后续研究中，凯利和冰测试了一种最初从俄罗斯堪楚加半岛温泉中分离出来的转基因细菌Anaerocellum bescii，它对王先生培育的木质素含量和组成有明显差异的杨树的分解效果如何。

研究人员发现，树木的木质素甲氧基含量越低，其越易降解。

“这解释了为什么低木质素本身并不是关键——魔鬼藏在细节中，”凯利说。“低甲氧基含量可能使纤维素更容易被细菌利用。”

王先生培育出低木质素杨树是为了更好地用于造纸和其他纤维产品，但最近的研究表明，经过基因改造的杨树不仅木质素含量低，而且甲氧基含量也低，才最适合通过微生物发酵制造化学品。

王氏培育的转基因杨树在温室中生长良好，但田间试验结果尚未公布。凯利的研究小组此前曾证明，低木质素杨树可以转化为丙酮和氢气等工业化学品，不仅经济效益好，而且对环境影响小。

如果这些树木在田间能生长良好，而且“如果我们继续努力”，凯利说，“我们将能利用微生物从杨树中制造出大量的化学物质，现在我们知道了要寻找的标记——甲氧基含量。”

这为像王这样的研究人员提供了一个特定的目标，即培育最适合化学生产的杨树品系。王和他的同事最近启动了先进木质素改性杨树的田间试验，以解决这个问题。

目前，利用树木制造化学品可以通过传统方式实现——将木材切成小块，然后使用化学品和酶对其进行预处理以进行进一步加工。

凯利说，利用工程改造的微生物来分解木质素具有诸多优势，包括降低能源需求和减少对环境的影响。

酶可用于将纤维素分解成单糖，但需要不断添加酶。另一方面，某些微生物会不断产生关键酶，使微生物分解过程更加经济，他说。

“它们还能比酶和化学物质做得更好，”凯利补充道。“它们不仅能分解纤维素，还能将其发酵成乙醇等产品——所有这些都在一个步骤中完成。”

“这些细菌生长所需的高温也避免了在无菌条件下工作的需要，因为你需要使用不太嗜热的微生物来避免污染，”他补充道。“这意味着将树木转化为化学品的过程可以像传统的工业过程一样运行，这使得它更有可能被采用。”

论文另一位作者、王实验室博士后研究员丹尼尔·苏利斯表示，气候变化引发的环境灾难凸显了开展研究以减少对化石燃料依赖的方法的迫切需要。

苏利斯补充道：“一个有希望的解决方案是利用树木满足社会对化学品、燃料和其他生物基产品的需求，同时保护地球和人类的福祉。”

“这些发现不仅推动了该领域的发展，而且为进一步创新利用树木进行可持续生物应用奠定了基础。”

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