化石燃料的使用会给大气环境带来极其严重的危害，如酸雨、雾霾、温室效应等。化石燃料的有害性显而易见，为什么人们还要持续地在工农业领域使用它呢？
很大程度是出于经济因素考虑。大到以政府为主导的能源网络，小到生活中一些纺织品的生产和其他产品的制造。其所涉及的商品很多原料都取之于化石燃料，如果停止使用或全部替代它们，将会付出较大的经济代价。
于是科学家设想，假如人们可以找到一种低成本且高效的化石燃料替代品，或许有可能改善因燃料燃烧带来的环境污染。
近日，太平洋西北国家实验室的生物学家提出，用一种高价值的化学物质制备酵衣康酸，或可作为化石燃料衍生产品的替代物。
图｜数据集成和超级计算（来源：太平洋西北国家实验室）
数据科学家尼拉杰·库马尔教授（Neeraj Kumar）及其团队成员使用数据集成和超级计算来影响微生物的工程变化，进而影响微生物的新陈代谢。基于之前大量的实验模拟，该团队有望利用从过往样本中得出的经验批量地生产衣康酸。
科学家制备出化石燃料替代物
自然界能找到生产衣康体的微生物并不容易，一方面品种很少有自然微生物在化工、能源、药物领域能满足不同的化学品需求；另一方面，自然微生物的经济利用价值也比较低。
因此，传统的生物制造面临很多瓶颈，能否找到可持续性的绿色方式制备替代燃料，提高环境和经济价值至关重要。
先不论化石燃料能否用完，或是人类因为环境问题停止使用化石燃料。单纯假设化石燃料变得过于昂贵，在此条件下，世界经济和人口增长把对能源供应要求提高到科技无法满足的限度。
库马尔从合成生物学中获得了新的灵感，尝试利用微生物作为廉价的生产材料制备衣康酸。
图｜蓍果脂解酵母的不同培养基（来源：太平洋西北国家实验室）
库马尔说：“我们需要确定衣康酸产生途径中的哪些基因可以改变，哪些无法改变，我们可以轻松地估算这些酵母可以产生多少化学物质。这项工作的最大挑战在于，是否能找到细胞健康和生物生产之间的平衡。”
随着合成生物学技术不断获得进展和突破，细胞工厂的构建能力有了很大提高，这让快速制备各种化学品成为可能。科学家可以通过最优合成途径的设计、合成途径的创建、合成途径的优化和细胞制备性能的提升 4 个方式来实现。
依托合成生物技术，科学家可以制备更多的高效细胞工厂，于是烯烃、生产长链醇等典型化学品燃料陆续问世。而衣康酸在可再生化学构建模块所具备的潜力，与化石燃料有关的产品可以被替代。2004 年，衣康酸被美国能源部评价为“生物质中附加值最高的化学品”之一。
RNA测序数据的计算预测与实验结果吻合
衣康酸是由几种真菌天然产生的，西北国家实验室科学家戴子宇（音译）借用了从其他真菌生物的基因，使脂溶耶氏菌能够产生衣康酸这种化学物质。
生物学家艾琳·布雷德维格（Erin Bredeweg）对不同基因组合的改良酵母研究颇深。后来，库马尔找到她进行合作，希望构建出更加有效的衣康体。当时，布雷德维格和的她团队已经制备出了一份改良酵母的代谢和蛋白质组学剖面，然后把这些数据毫无保留地传递给库马尔。
根据“设计-建造-测试-学习”的策略，库马尔和他的研究助理安德鲁·麦克诺顿（Andrew McNaughton）利用机器学习来检查这一特征，观察哪些非必需基因可以从酵母中移除，哪些有用的基因可以进一步添加，进而达到增加衣康酸的产量的目的。
一旦他们选择用基因来“设计”生物体，就可以立刻开始制备衣康体。根据库马尔和麦克诺顿的预测，他们在布雷德维格创造的不同版本酵母中添加或删除了某些基因之后，发现 RNA 测序数据的计算预测与实验结果吻合。
布雷德维格表示：“目前，这项研究还处于早期阶段，但是在未来它可以表现出很大的潜力。通过机器学习和科学家的推理可以解释，用新的思路来思考酵母等复杂细胞系统如何对单个基因变化做出反应，超出了仅通过新陈代谢建模的可能性。”
酵母和其他微生物虽然可以容易地生产像乙醇一样的高产量化学品，但是也面临着一些挑战，库马尔希望将机器学习与代谢建模和多组学数据集相结合的系统运用于实际生产中，攻克这一难题。
-End -
参考:
https://phys.org/news/2021-11-microbe-factories-sustainable-chemicals.html