基改細菌能分解木質素，取代石油製造塑膠及燃油

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基改細菌能分解木質素，取代石油製造塑膠及燃油




在塑膠及紡織的市場中，石油為重要的原料。科學家一直以來希望以植物中無法食用的部分提煉出木質素（ lignin ），作為原料取代石油。但其強度高的特性使得分解的成本過高、效率不足，而難以撼動石油的地位。

而日前，桑迪亞國家實驗室（ Sandia National Laboratories ）的研究團隊，以基因改造工程使大腸桿菌（ Escherichia coli ）能更有效地分解木質素，其效率及成本足以克服過去的障礙。


木質素

木質素分解後，可作為相當有價值的基化學反應物（ platform chemicals ），用以生產如尼龍、塑膠及航空煤油等以石油為原料的產品。但木質素作為維持植物強度的重要成分，其分解所需的能量也因此相當高。導致處理的過程反而在能量及經濟上得不償失，經濟價值遠不及其他的前驅原料。因此對於急切擺脫石油依賴性的國際共識下，如何有效分解木質素成了相當重要的問題。

而此研究團隊藉由細菌快速繁殖及能承受產線艱困環境的能力，將大腸桿菌以基改工程改造成了能有效分解木質素的工廠。同時也解決了一直以來所面臨的三大問題。

成本

一般而言，大腸桿菌是不具有分解木質素的酶（ enzymes ），必須加入誘導劑（ inducers ），才能開始進行反應。但此種誘導劑通常成本過高，對於生物煉製（ biorefineries ）欲大量生產的目標而言，為相當大的阻礙。

而研究團隊透過基改工程，使大腸桿菌能夠利用如香蘭素（ vanillin ），同時作為基質及誘導劑。但雖解決了成本的問題，其隨著木質素分解而累積濃度的特性，造成了毒性（ toxicity ）問題，使大腸桿菌無法繼續分解木質素。

毒性及效率

因此，研究團隊驅使大腸桿菌將香蘭素轉換為鄰苯二酚（ catechol ），使其在反應過程不會持續累積。濃度無法達到造成毒性中斷反應的程度。如研究團隊之一的希曼·辛格（ Seema Singh ）所表示的：「整個過程能夠達到自動調解的效果」。

香蘭素穿過大腸桿菌細胞膜的過程是屬於被動運輸的，因此擴散的速率相當慢，而導致反應的效率也不足。若欲達到生物煉製的目標，效率即是其中必須解決的問題之一。而研究團隊，將大腸桿菌進一步改造為能夠以分子幫浦，主動運輸香蘭素過細胞膜，加快反應的速率。


未來應用

此種基改大腸桿菌，去除了誘導劑的成本及具有自動調解產線環境的能力，有望將此生物煉製的產線規模及商業化。而研究團隊也進一步的在研究是否有其他種細菌更能勝任此任務，且能夠提高產物的品質。若能以木質素取代石油，將會是朝向擺脫石油依賴性的一大進展。

明日科學