基于植物的生物燃料的基因组学

与目前基于玉米的乙醇工业相比，鲁宾为新兴基因组技术如何为不同的生物燃料未来做出贡献奠定了前进的道路-并且部分缓解了食品与燃料的争论。

“阿波罗登月和人类基因组计划为大规模的研发工作提供了支持，这些努力创造了克服这些举措一开始就没有考虑到的障碍的能力，”鲁宾说。“同样，今天改善生物燃料的障碍是重要的，但遗传学和基因组学可以促进在不久的将来实现基于木质纤维素的经济上可行且更加社会可接受的生物燃料的进展。”

虽然鲁宾承认这一战略还处于起步阶段，但正在迅速取得进展。

“在过去的一万年中，选择了野生植物物种，因为它们具有令人满意的特性，从而产生了当今高产的粮食作物。面对能源和气候挑战，我们根本没有数千年的历史，因此应用基因组学的力量对于这些问题，我们正在寻求加快能源作物的国内化和将其转化为合适的生物燃料的技术，作为满足我们部分运输需求的更加碳中和的方法。

在“自然评论”中，鲁宾描述了从木质纤维素生产生物燃料所需的过程：生物质的收获，预处理和糖化，这导致细胞壁聚合物解构成组分糖，然后通过发酵将这些糖转化为生物燃料。他说，每一步都为基因组学发挥重要作用提供了机会。

“根据我们从植物基因组中产生的数据，我们可以了解相关的农艺性状，如快速生长，抗旱性和害虫耐受性，以及那些定义植物细胞壁基本组成部分的纤维素，半纤维素生物燃料研究人员能够利用这些信息和设计策略来优化植物本身作为生物燃料原料-例如，改变分枝习性，茎厚度和细胞壁化学，导致植物不那么僵硬，更容易分解“。

对于微生物生物量的分解，鲁宾表示许多候选人已被确定。这些包括梭菌属物种降解纤维素的能力，以及表达与植物细胞壁最顽固特征分解相关的基因的真菌，木质素，即赋予植物结构完整性和害虫抗性的酚类“胶”。白腐菌Phanerochaetechrysosporium产生独特的细胞外氧化酶，通过植物细胞壁纤维素微纤维周围的保护基质进入，有效降解木质素。

另一种真菌，酵母Pichiastipitis，发酵硬木和农业收获残留物中的五碳“木糖”木糖。Rubin说，Pichia最近测序的基因组揭示了对这一过程负责的代谢途径的见解，指导了在商业生产菌株中优化这种能力的努力。通路工程有望产生更多种类的生物，能够发酵来自纤维素和半纤维素的全部糖类，并且能够耐受更高的乙醇浓度以优化燃料产量。

鲁宾还涉及新兴的宏基因组学技术-无需实验室培养，即环境样品中生物体的代谢特征-用于鉴定适合工业规模生物燃料生产的酶。

“利用这种勘探技术，我们可以对大量的微生物生物多样性进行调查，以更好地了解基因的代谢潜力，以及如何利用酶促解构生物质和随后转化为高能值燃料。”

例如，鲁宾引用了对自然生物反应器白蚁的后肠内容的分析(发表于Nature(450,560-565[2007年11月22日])，该基因产生了500多个与酶促解构相关的基因。纤维素和半纤维素。

“自然评论”继续列出原料基因组，微生物“生物质降解物”和“燃料生产者”已完成或正在进行中。这些包括完成的第一个树木基因组-杨树毛果杨和测序队列中的其他植物，如大豆，柳枝稷，高粱，桉树，木薯和谷子。此外，鲁宾指出，产油藻类是生物柴油生产的替代来源-藻类莱茵衣藻(Chlamydomonasreinhardtii)只是其中一种藻类物种之一，其特点是能够有效捕获并将阳光转化为能量。

“鉴于用于运输的化石燃料的巨大规模，我们可能不得不从几个不同的来源中获取，以对纤维素生物燃料产生明显的影响，所有这些都将以一些重要的方式得到基因组学的信息，”鲁宾说。

“为此，生物能源研究人员正在利用快速新的测序方法和先前应用于人类基因组测序的大规模基因组学来设计下一代生物燃料，高链醇和烷烃，其能量含量高于石油等。适应现有的基础设施。“

由美国能源部科学办公室支持的美国能源部联合基因组研究所汇集了五个国家实验室的专业知识-劳伦斯伯克利，劳伦斯利弗莫尔，洛斯阿拉莫斯，橡树岭和太平洋西北地区-以及斯坦福人类基因组中心推进基因组学，支持与清洁能源生产，环境特征描述和清理有关的DOE任务。DOEJGI位于加利福尼亚州WalnutCreek的ProductionGenomicsFacility提供集成的高通量测序和计算分析，使基于系统的科学方法能够应对这些挑战。

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