2007年12月,，美國總統(tǒng)布什簽署了能源獨立和安全法案，提出美國2020年的可再生燃料產(chǎn)量要達(dá)到現(xiàn)有水平的5倍,，即每年達(dá)到360億加侖,。在這個總量中，產(chǎn)自農(nóng)業(yè)廢棄物,、木屑和牧草的纖維素生物燃料預(yù)計將占到160億加侖,。如果該目標(biāo)得以實現(xiàn)，那么汽油的消費量將能顯著下降,，從而減少溫室氣體排放及進(jìn)口外國石油,。
但這個雄心勃勃的計劃面臨的一個主要障礙是，還沒有出現(xiàn)真正具有成本競爭力的纖維素生物燃料生產(chǎn)工藝,。今天,，美國生產(chǎn)的幾乎所有乙醇都來源于玉米粒中的淀粉，這種淀粉很容易分解成經(jīng)發(fā)酵后可制成燃料的糖,。用廉價的原材料生產(chǎn)乙醇,，需要一種有效方式釋放纖維素的結(jié)晶鏈，這種鏈?zhǔn)侵参镏匾慕Y(jié)構(gòu)成分,。加州理工大學(xué)化學(xué)工程和生物化學(xué)系教授,、從事蛋白質(zhì)研究的工程師弗朗西斯·阿諾德稱，這正是目前纖維素生物燃料大規(guī)模商業(yè)化最昂貴的一個步驟,。
阿諾德和其他科學(xué)家相信,，更有效和更低廉地分解纖維素的關(guān)鍵就是更好的酶。阿諾德在過去20年間一直在設(shè)計從藥品到污漬清潔劑所用的酶,，她對找到更好分解纖維素的酶充滿信心,。
與無論是汽油還是玉米乙醇相比，纖維素燃料具有許多優(yōu)勢。舉例來說,，燃燒纖維素乙醇而非汽油,，可消減汽車87%%的溫室氣體排放量，而玉米乙醇僅能消減18%%到28%%,。纖維素也是地球上最豐富的有機物質(zhì),。
但是，玉米淀粉轉(zhuǎn)化為糖只需要一個單酶,，而分解纖維素則需要一系列復(fù)雜的酶陣列（纖維素酶）一起工作,。過去，曾用在真菌中發(fā)現(xiàn)的纖維素酶來進(jìn)行分解工作,，但實踐證明這些纖維素酶的分解過程過于緩慢和不穩(wěn)定,。通過以新的方式混合這些纖維素酶或調(diào)整其氨基酸組分來提高性能的努力，也只是取得了適度的成功,。研究人員已將每生產(chǎn)1加侖乙醇所用的纖維素酶的成本降至20美分到50美分,，但是這個成本必須降至3美分到4美分，纖維素乙醇才能和玉米乙醇相競爭,。
最終,，阿諾德不只是想制作出更低廉、更高效的纖維素酶,，她想要設(shè)計出可將糖發(fā)酵成生物燃料的纖維素酶。長期以來,，研究人員的目標(biāo)是找到一種“超級細(xì)菌”,，它既能代謝纖維素和制成燃料，又能大幅降低纖維素生物燃料的生產(chǎn)成本,。阿諾德表示,，如果能夠鞏固這兩個步驟，就能在整個生產(chǎn)工藝中獲得降低生產(chǎn)成本的協(xié)同效應(yīng),。
鞏固這些步驟則需要纖維素酶工作在用于工業(yè)發(fā)酵過程的諸如酵母和細(xì)菌等健全的有機物中,。這些纖維素酶必須具有穩(wěn)定性和高活性，還須耐受高糖水平,，并在存在污染的環(huán)境中發(fā)揮作用,。此外，研究人員還必須能夠生產(chǎn)出足夠數(shù)量的有機物,。這看起來似乎有些苛刻,，但這些年來，阿諾德已經(jīng)開發(fā)出一些新的工具來制作新型蛋白質(zhì),。她開創(chuàng)了一項稱為定向進(jìn)化的技術(shù),，可創(chuàng)造出許多基因突變的特殊蛋白質(zhì)。這些突變基因插入到微生物中，產(chǎn)生大量新蛋白質(zhì),，然后就可進(jìn)行特性篩選,。
她的最新策略是利用計算機篩選法來快速確定數(shù)千個新的蛋白質(zhì)序列。這種方法將比其他方法產(chǎn)生更多的序列變異,，從而大大增加了創(chuàng)造出具有有用新屬性功能分子的機會,。
阿諾德正在利用該技術(shù)建立包含有數(shù)千個新纖維素酶基因的基因庫。這樣,，研究人員就可以篩選纖維素酶以觀察它們?nèi)绾巫鳛橐环N混合酶的一部分發(fā)揮作用,，而如果用它們本身來進(jìn)行測試的話，則很難了解它們作為一個整體是如何工作的,。
為了最終實現(xiàn)能代謝纖維素并生產(chǎn)出生物燃料的超級細(xì)菌的目標(biāo),，阿諾德正在和加州大學(xué)化學(xué)工程系教授詹姆斯·廖進(jìn)行合作研究。廖教授最近合成了一種大腸桿菌,，它能有效地將糖轉(zhuǎn)化成與乙醇相比具有更高能量的生物燃料———丁醇,。阿諾德希望能將她的新酶混合入廖教授可產(chǎn)生丁醇的微生物中。阿諾德在丹佛創(chuàng)立的一家稱為Gevo的先創(chuàng)公司,，已經(jīng)獲得廖教授的技術(shù)許可,，將量產(chǎn)丁醇等先進(jìn)生物燃料。
克服纖維素對分解的天然抵抗力,，是最具挑戰(zhàn)性的蛋白質(zhì)工程問題之一,。這個問題的解決，將有助于決定低排放生物燃料是否將永遠(yuǎn)成為化石燃料的可行替代品,。
