利用光合生物实现生物燃料未来
随着世界能源需求增加,政府正越来越多地将化石燃料放在一边,支持可再生能源-例如太阳能、风能和核能-但光合成革命正在缓慢兴起植物、藻类和蓝菌含有显微机,用千百年来完善它们的交易:光化催化生产可用于能源的化学和燃料
使用阳光作为唯一能量源的机器有巨大的潜力实现否则困难、昂贵和耗能化工碳氢生物燃料是一种可再生能源,其中一些生物生成的另一个长处是:碳中和性,即燃烧时生成的二氧化碳量与生物体从空气中去除的二氧化碳量相同。事实上,我们今天使用以石油为基础的燃料有化学特征表示它们是5亿年前从藻类中衍生出来的,而藻类在地球内部压缩取代化石燃料的主要挑战之一是成本低,但通过选择生物可与生物燃料并发贵分子,经济学变得更加可行。
有巨大潜力的微生物
使用微生物生产化学物,如DuPontssorona第一 生物细胞内 成千化学反应同时发生 并难预测 改变反应或酶效果这是一个问题,因为生物可能需要转基因工程来提高效率
另一大挑战是,虽然主要用于这些类型项目的生物快速生长,广泛研究并拥有精密基因组工程工具,但需要糖生长!这使得他们竞争 与我们的食品和饲料供求资源光合成微生物从中产生, 直接转换二氧化碳成复杂分子缺陷在于细胞的生理特征不完全,生长慢得多,使工程挑战难上加难
光合成微生物作为可再生燃料和化学物源使用方面有大量未开发的潜力,所以在我们开始开发燃料前需要发生什么?
当前代谢工程方法有两大缺陷
第一,技术刻意改变可能有用的藻类和蓝菌的遗传学得不如典型模型生物像E.西里岛传统方法依赖触发生物变异并选择环境压力直到生物进化出一些更理想特征方法慢化,特别是像藻类和蓝菌等光合生物
与生物燃料并发,一些生物体可共同生成宝贵的分子,提高生物燃料项目的财政可行性。
第二,实验室研究往往在高人工环境进行持续向光合成生物提供光学研究可能更容易学习,但这些生物对二元光波动有反应,circadian生长像人类一样这一点极为重要,因为当这些生物最终被用于生产生物燃料或其他生物产品时,它们极有可能生长在赛道池子中 — — 大型户外池子受自然光波动影响。往往由实验室制造的菌株生长室外时差强人意
silco解析
南特R博士科罗拉多矿山学院助理教授Boyle正以真正21世纪方法处理问题:使用计算模型映射并预测碳如何通过代谢路径传递计算模型大大减少转基因生物耗时,原因很简单:模型详细查看生物体细胞机,并可以在小段时间模拟千千项基因变换计算模型方法Boyle博士正在实验中开发附加益益,即有可能预测生物体如何响应环境变化-对理解细胞如何在夜间循环中改变光水平尤其重要代谢模型与变化光环境模型、养分和代谢物运动方式、生物生长方式和细胞与环境以及细胞和其他物种交互作用合并成单项建模框架Multicle多目标系统分析
建模相片合成
MIMOS工具超先进-需要细胞内部和与其周围环境有异常复杂交互作用,环境中也包括其他物种MOMOSA极能模拟多自然现象,包括细胞环游系统、跟踪不同代谢物的富集度随时间推移而变化、养分传播和细胞与其环境间交互作用 — — 使其成为合成生物史上最可预测模型
MIMOS依赖数学框架称代理建模,预测整体系统-像机体中的细胞群-将如何行为,基础是每个细胞如何依据模型定义的行为规则决策MIMOSA依赖对生物内代谢路径的知识来确定每个细胞的'代理'在不同条件下行为方式由Boyle实验室开发的另一个工具叫PhotoSystem快速注解从预测生物基因组存在的蛋白质出发,RAPS使用从蛋白数据库获取的信息创建这些代谢网络,并还可发现缺失反应漏洞,允许研究者人工添加完成代谢路径RAPS创建模型优于发布模型,原因是代谢路径和响应网络完整性更加精确
三叉测试案例
博伊尔实验室选择MIMOS测试三十二合金蓝菌几乎占全球生物固氮量的一半MIMOS生成模拟能够高精度预测累积生物量T.红树12小时以上不同光度下包括高光饱和效果,其他发布模型无法捕捉不仅如此,MIMSA还能够提供新信息说明生物体如何在养分稀疏的海洋中表现如此之好长点T.红树丝状能提高性能并保持光线、氮和碳有限条件比短丝增长模型还可以精确预测氮酶瞬态活动-将二亚氮转换为氨的酶-表示至少部分受细胞代谢状态约束,不一定受基因表达式约束MIMOSA允许研究者在特定时间填充氮碳分布新信息,并成功模拟生物体如何组织成多细胞分层结构,结构长度视光和二氧化碳等资源可用性而异
Algal生物燃料
团队最近将注意力转向更有趣的生物:绿色 alga调用染色体复元C.复元赛从近100种不同藻类列表中选择,以显示它生产大量三甘醇的能力 — — 一种生物燃料生产素材 — — 即使是饿死氮气时也是如此。不单能C.复元赛生产高达40%的TAGs生物量,并生产副产品分子Astacanthin,药厂值为每公斤7 000美元执行MIMOSA的第一个步骤是罗列细胞中所有可能的代谢响应,这是使用RAPS算法完成的预测蛋白序列C.复元赛比较出版的两个密切相关生物代谢模型Nannocropsis小说并Chlamydonasrehardtii.RAPS能够提供代谢网络优先发模型,为3,000多反应提供路径RAPS没有预测到31次反应,这不令人意外,因为两者都非类比生物合成axaanthinRAPS标识缺失进程响应可人工添加完成代谢网络仅用了3个月时间,Boyle实验室前人工处理其他生物的工作接近一年。
未来方向
博伊勒博士及其团队可启动进程使用MIMOSA对齐评价C.复元赛预测实验室外行为时段T.红树MOMOSA制作代谢模型12小时恒定光,Boyle博士希望新模型扩展至24小时光暗模
博伊尔博士及其团队开发的硅工具新前沿评估光合藻类,缩小体外实验室测量与室外池原位环境之间的重要空白下行RAPS和MIMSA分析可驱动全新方法处理细胞设计方式,并C.复元赛巨大的潜力建构未来由生物燃料驱动
个人响应
离完成代谢网络多近染色体复元- 一旦你完成,你下一步将做什么?
并正努力应用MIMOSA系统, 估计大约需要一年时间。之后,我们将使用MIMOSA评估其他物种对生长和生产率的影响C.复元赛或保护贵生物产品(TAGS和axanthin)不受捕食者攻击