圣路易斯华盛顿大学授予220万美元赠款

21世纪初，藻类燃料生产一度风靡一时，科学家和风险投资家都被将“池塘渣滓”转化为石油的想法所吸引。但最近的一波破产浪潮已经清楚地表明，藻类生物燃料公司走在了科学的前面。

为了解决这一问题，能源部资助了一个由圣路易斯华盛顿大学领导的三所大学合作项目，系统地解决藻类燃料的问题。
该基金的首席研究员是Himadri Pakrasi博士，艺术与科学George William and Irene Koechig Freiberg生物学教授，工程与应用科学学院能源教授，国际先进可再生能源和可持续发展中心(I-CARES)主任。

华盛顿大学(Washington University)、普渡大学(Purdue University)和宾夕法尼亚州立大学(Pennsylvania State University)的研究小组将分两步进行研究，首先尝试全面了解选定蓝藻菌株的代谢机制，然后通过组装一种具有产生燃料分子所需代谢机制的新细菌来实现这一理解。

这个团队远远没有超越科学，而是将采用当代生物学所能提供的最复杂的方法:系统生物学和合成生物学。

系统生物学是一门学科，它在抽象出由基本代谢途径组成的更简单的模型之前，考虑到细胞代谢机制的全部复杂性。通过自动化的高通量实验室设备和功能强大的计算机，这种通过复杂实现简单的方法在一定程度上与生物学长期以来的特征——但越来越无法有效处理新数据的还原论——对立。

系统生物学方法整合了包含在大型数据集中的信息层，这些数据集可以识别对细胞代谢及其相互作用重要的分子。每一层信息的研究本身就是一门学科;它们一起被非正式地称为“组学”。例如，Pakrasi的团队计划在其研究范围内包括蓝藻表型组学、基因组学、转录组学和代谢组学。

Pakrasi说:“虽然看起来系统生物学会导致信息过载，但我们的目标是找到控制点，或者是许多路径相交的网络枢纽。这实际上给了科学家们更好的控制生物体，而不是盲目地进入并替换一个节点，而不了解这个节点在复杂的网络中扮演什么角色，而这个网络赋予了生物体的健壮性和弹性。

“这完全取决于你对数据提出的问题，”Pakrasi说。“你想知道重要的事情，就像当你看一辆车时，你首先想知道它有多少气缸，而不是有多少螺母和螺栓。”

这一过程的第二步是合成生物学。2010年5月，以人类基因组闻名的克雷格·文特尔(Craig Venter)宣布，他的团队创造了第一个合成细菌。由于文特尔的团队将新构建的部件放入现有但空的啤酒酵母细胞中(酿酒酵母)，有人说这种生物并不是全新的，因此不能被称为第一个完全合成的生物。

然而，事实上，合成生物学是一门富有弹性的学科，包括任何设计和构建自然界中没有的生物功能或系统的尝试。

Pakrasi的团队计划采取类似的方法。在他们的案例中，Pakrasi所说的“底盘”将是蓝藻集胞藻属6803而不是啤酒酵母。集胞藻属6803已经被研究了超过25年，是第一个基因组测序的光合生物。

Pakrasi说:“关于这种生物的知识基础是巨大的。”“例如，三年前，我们发表了一篇论文，其中不仅包括来自我们实验室的信息，还包括来自其他17个实验室的信息，这些信息共同描述了动物的行为集胞藻属在151种环境条件下的基因表达水平。

“在很多方面集胞藻属是一种普通的蓝藻菌株，”Pakrasi说，“只是我们了解得很多的一种。我们正在对其他菌株进行的系统生物学研究将使我们能够识别有用的代谢模块集胞藻属没有，又加给他们集胞藻属根据需要，创造出一个可以生产一系列燃料或燃料前体的细菌家族。”

原因之一是集胞藻属如此优秀的实验室小白鼠在于，尽管它被称为蓝绿色藻类，但它实际上是一种细菌。和许多其他细菌一样，它的DNA可以很容易地整合外来DNA。另一方面，最初对藻类燃料的热情是基于微藻类，它本质上是单细胞植物。它们大多数的基因组都不那么容易操纵。它们也更大，更复杂，更不为人所知。

Pakrasi说:“人们都是从微藻开始的，因为它们已经生产了大量的石油。”“但是你猜怎么着?人们对它们的生物学知之甚少，除了它们自己已经在做的事情之外，你无法对它们做任何事情。你没有选择去那里修改基因组或改变细胞组成，这将使你以更容易的方式实现你的目标。

“人们过去常说，‘好吧，氰化物不会产生石油。’这可能是真的，但我们可以改造它们，让它们生产石油，这就是现在正在发生的事情。”

藻类燃料行业正在重新审视蓝藻细菌。“但是，”Pakrasi说，“与我们相比，他们是这个领域的新手;我们已经领先了25年。”