9-13 改变小基因催生大能源 生物能源技术突破瞄准转基因

日期：2006-09-13　　访问次数：3572

据《科技日报》2006年9月13日报道：转基因农作物对于大多数人来说并不陌生，大豆和玉米等转基因食品已经开始进入人们的生活。过去的农业生物学家通过改变基因，主要是改善农作物抵抗害虫和恶劣天气以及提高农作物的产量和营养成分的含量，现在科学家们开始了转变农作物基因的另一研究：对农作物进行特殊的基因改变，使这些转基因作物能够专门用于生产燃料乙醇和其他生物燃料，在油价飙升和环境污染越来越严重的今天，生物技术开辟了又一个新的产业领域，美国的各大种子公司和生物技术公司也相继加大了该领域的研究投入。

Syngenta公司最近宣布，公司将在2008年销售一种特殊的转基因玉米，这种玉米的每个玉米粒中都含有一种特殊的酶，因而不需要再在乙醇加工过程中额外加入这种酶了。

杜邦公司和世界上最大的油籽加工企业邦吉公司宣布，他们将在现有的合作改善食用大豆的各种生物性能基础上，进一步合作，开始重新设计大豆的基因，以用于生物柴油和其他工业生产。

而另一家美国加州的植物基因公司Ceres正在对柳枝稷进行研发，柳枝稷是美国草原地区的乡土植物，主要用于水土保持和牛饲料。公司希望这种草原上随处可见的草能变成能源农作物，用做生产乙醇燃料的原材料，一旦技术上取得更大的突破，草原面积广阔的美国俄克拉荷马州到处都会变成种植柳枝稷的农场，这些农场中柳枝稷输出的能源将使整个俄克拉荷马州变成OPEC的一大“成员”，与中东石油输出大国相媲美，草在生物能源的召唤下将变成宝藏。


开辟生物技术产业新领域

过去科学家们对生物能源的关注主要集中在工业生产方面，即如何改进利用农作物生产乙醇的化学工艺，提高乙醇的产量，但专家们认为，要想提高生物燃料在美国石油消耗中的比例，使生物能源在整个能源消耗中占有重要的地位，必须对农作物本身进行改进，让这些农作物每亩能源产量不断提高。另外目前用做生产生物能源的农作物主要是玉米，即使整个美国的玉米都用来生产乙醇，这些乙醇只能取代石油市场15%的份额，所以科学家们需要寻找其他农作物原料，以生产更多的生物燃料。美国能源部的一位官员表示，未来10到15年，如果生物能源在市场上的份额提升50%，则需要依赖科学家们对农作物原料进行改进，保证进入乙醇生产工厂的原料含有更高的生物能量。

与多年来科学家们通过转基因技术提高农作物抵抗害虫和除草剂的能力不同，开发能源农作物是转基因技术在农业领域运用的新突破，这种新运用需要改变农作物的基本结构，往往需要降低农作物中的木质素含量，木质素能够增加农作物的硬度从而保证农作物的正常生长，但这种物质会妨碍农作物中的纤维素转变成燃料乙醇。

在对农作物原料自身进行改进的技术选择上，并不是只有转基因技术一种，传统育种技术也是一种选择。农业生物技术的龙头老大孟山都公司就表示，他们将集中财力通过传统育种技术来改善农作物的生物能量，这种技术与转基因技术相比更加容易，因而成功的速度更快。

孟山都公司已经开始对公司现有的玉米品种进行了检测，通过比较看看哪些品种生产的乙醇产量更高。孟山都最大的竞争对手———杜邦公司下属的分公司先进育种国际公司也在展开相同的研究。

孟山都公司的专家表示，他们通过传统育种方式对玉米进行改进后，这些玉米中可用于发酵的淀粉含量显著提高，乙醇产量往往会比其他玉米高2%到5%，这种高能量的玉米也得到了众多厂家的青睐，不惜花高价求购这种高性能的玉米。这造成了整个玉米市场出现供不应求的局面，那些急需玉米原料的厂家实际上并不真正关心所买到的玉米是否具有优越的特性，只要能买到玉米就行，那些没有经过优化设计的玉米同样成了抢手货。

杜邦公司的研究表明，那些非常硬的玉米能够生产更多的乙醇。这种高硬度的玉米需求量太大，那些生产玉米的农民不再每年轮换种植不同的农作物，而是每年都在同一块地里种植玉米这样一种农作物，对土壤造成了极大的损伤，也导致害虫和疾病的暴发。为了克服这一问题，农业专家在想方设法改进玉米的过程中，除了要增加产量外，还要考虑提高玉米抵抗疾病、害虫和干旱的能力，所有这些需要改进的玉米特征，与食用玉米希望改进的特征完全一致。但是，Syngenta公司在玉米中加酶的方法是用于提高生物能源产量的专门方法，与食用玉米则完全不相干。

Syngenta公司加在玉米中的酶是淀粉酶，通常乙醇生产厂家利用大量细菌来获得这种酶，然后将其加入到玉米中，淀粉酶能催化玉米中的淀粉分解成糖类，糖再继续被发酵分解生成乙醇。而Syngenta公司向玉米中导入一种特殊的基因，这种基因来源于生活在海洋热水口附近名叫archaea的微生物中，这种基因是由3种淀粉酶基因组成的复合基因。被引入这种基因后，玉米能够自己生产淀粉酶，从而减少了乙醇生产的工艺步骤。另外由于产生淀粉酶的基因来源于嗜热性微生物，乙醇厂家可以将生产条件的温度和酸度大大提高，从而大大提高了生产效率。虽然有厂家可以直接从某些酶厂直接购买利用这种嗜热性微生物archaea生产的淀粉酶，改进乙醇生产的温度和酸度条件，但Syngenta公司的玉米具有自身含有淀粉酶的优势。

除了淀粉可以用来生产乙醇外，科学家最新的研究领域是利用农作物中的纤维素来生产乙醇，纤维素是一种复杂的碳水化合物，在酶的作用下可以降解成更简单的糖类，这些糖可以进一步发酵生成乙醇。纤维素往往可以通过农作物的茎秆获得，但这种来源产量很低，科学家们开始想到草类等多年生植物，这些植物生长成本低，几乎不需要灌溉和施肥，而一般的农作物却需要每年重新种植，而且灌溉和施肥需要消耗更多的能量。

Ceres是由孟山都投资的一家小型基因技术公司，它现在重点研究柳枝稷，公司的大棚内已经长满了各种高大而瘦长的草类植物，其中有些是用传统育种方式开发的，有些是用转基因技术开发的。这些草产量更高，更加耐旱并且在乙醇生产过程中更容易降解。公司的研究人员表示，他们已经通过实验证明，通过传统育种方式获得的几种草类每亩纤维素的产量达到八九吨，远远高于普通草类每亩5吨的产量。

美国Mendel生物技术公司正在与我们中国合作，在中国对早熟禾科类草进行研究改进，这种草在中国常年生长，并且每年每亩的纤维素产量超过20吨，不需种植、不需施肥、不需灌溉，10年之内唯一要做的就是收割而已。

另外白杨树也成为科学家们宠爱的纤维素原料，最近美国科学家在美国能源部的领导下已经成功绘制出白杨树的基因组序列。目前纤维素的原料主要依靠传统育种技术进行改善，今后的发展趋势是，基因技术将逐渐进入品种改进的主流。


巨大诱惑背后的潜在风险

虽然转基因农作物用作生产生物燃料具有明显的优势和巨大前景，一些环保人士还是提出了他们的质疑，这些被改变了基因的农作物将会交叉感染其它野生植物，导致森林中其它野生植物因木质素含量降低从而缺乏硬度而逐渐枯萎。一些人还反对说，仅仅为了满足现代人对汽车的嗜好而改变农作物的基因完全没有必要，对于食用这些农作物的人们来说，他们并不愿意科学家们为了提高农作物生产生物能源的产量而向农作物中加入额外的酶。

面对这些质疑，设计这些转基因能源农作物的科学家们解释说，与美国严重依赖从国外进口石油的危机相比，这些质疑所提出的风险显然是微不足道的，况且这些能帮助生产乙醇的农作物在生长过程中能吸收大量的二氧化碳，从而可以帮助人类应对全球变暖，实际上是对环境保护非常有利的行为。

Syngenta公司转基因玉米的优势也遭到了一些人的质疑，他们认为这些玉米不仅仅用做工业目的，由于交叉感染或种子混杂的影响，人们和动物会不可避免地食用这些玉米，就像2000年发生在美国的一件转基因玉米风波一样，当时这种玉米只被批准供动物食用，但最后却不小心进入人们的餐桌，公司不得不召回所有的玉米并严重破坏了美国向国外出口玉米的市场。

面对这种质疑，Syngenta公司表示，淀粉酶可以安全食用，这种酶完全可以在人类的唾液中找到。公司还表示，会积极争取美国、欧盟、南非和其他国家的政府批准这种转基因玉米用于动物和人类食用，这样像2000年的类似事件就不会发生了。

但是反对人士还有一个理由，虽然淀粉酶在人类唾液中可以找到，但这种转基因玉米中含有的特殊淀粉酶来自于外源性生物ar鄄chaea，人类对这种微生物的认识很少，况且一些淀粉酶还能引起人类过敏反应。美国农业部要求Syngenta公司提供更多的研究数据，以便为今后的决策提供充足的依据。

不管人们的反对声有多大，面对可能彻底改变我们能源结构的生物能源技术，转基因农作物用于能源开发将势不可挡。



摘自：科技日报