树木是地球陆地上最丰富的自然资源，北卡罗莱纳州立大学的科学家和工程师们正在寻找方法，将它们作为可持续的、对环境无害的、从石油中生产工业化学品的替代品。

　　木质素是一种聚合物，它使树木坚硬，不易降解，但事实证明它存在问题。现在北卡罗来纳州立大学的研究人员知道原因了。他们已经确定了木质素的特定分子特性——它的甲氧基含量——这决定了利用微生物发酵将树木和其他植物转化为工业化学品的难易程度。

　　《科学进展》杂志上一篇详细介绍这一发现的论文的通讯作者罗伯特·凯利说：“这些发现使我们离从树木中提取工业化学品更近了一步，作为一种经济上和环境上可持续的石油化学物质的替代品。”

　　凯利的研究小组先前证明了某些极端的嗜热细菌，这些细菌在黄石国家公园的温泉等地方繁殖，可以降解树木中的纤维素，但“程度不是很大，”他说。“换句话说，还没有达到生产工业化学品在经济和环境上都有意义的水平。”

　　正如凯利解释的那样，“事实证明，不仅仅是低木质素在起作用。”

　　为了解决树木的高木质素问题，北卡罗来纳州立大学生物技术项目主任、美国铝业化学与生物分子工程系教授凯利与北卡罗来纳州立大学自然资源学院森林生物技术项目负责人杰克·王副教授已经合作了10多年。Wang也是北卡罗来纳大学植物科学计划的教员。

　　据2023年《科学》杂志报道，王和他的同事利用CRISPR基因组编辑技术，培育出了木质素含量和组成经过修饰的杨树。他们把重点放在杨树上，因为杨树生长速度快，需要最少的杀虫剂，而且生长在难以种植粮食作物的边缘土地上。

　　凯利的研究小组发现，这些经过crispr编辑的树木中，有一些（但不是全部）在微生物降解和发酵方面表现良好。正如他以前的博士生瑞恩·宾（Ryan Bing）解释的那样，事实证明，这些细菌对不同类型的植物有不同的胃口。

　　“我们可以利用黄石国家公园等地温泉中的某些嗜热细菌的能力，吃掉植物物质，并将其转化为感兴趣的产品。然而，这些细菌对不同类型的植物有不同的胃口，”宾说，他现在是弗吉尼亚州斯特林市卡普拉生物科学公司的高级代谢工程师。

　　“问题是为什么？是什么让一种植物比另一种更好？”他解释道。“我们通过观察这些细菌如何食用各种成分的植物物质找到了答案。”

　　在后续的研究中，Kelly和Bing测试了一种基因工程细菌，它最初是从俄罗斯Kamchutka的温泉中分离出来的，Anaerocellum bescii，如何分解具有明显不同木质素含量和成分的王的工程杨树。

　　研究人员发现，树木的木质素甲氧基含量越低，其可降解性越强。

　　凯利说：“这澄清了为什么低木质素本身不是关键的谜团——魔鬼在细节中。”“低甲氧基含量可能使纤维素更容易被细菌利用。”

　　王创造了低木质素杨树，以更好地用于造纸和其他纤维产品，但最近的研究表明，工程杨树不仅具有低木质素，而且具有低甲氧基含量，最适合通过微生物发酵制造化学品。

　　王的转基因杨树在温室里长得很好，但田间试验的结果还没有出来。凯利的研究小组此前已经证明，低木质素的杨树可以转化为工业化学品，如丙酮和氢气，具有良好的经济效益和低环境影响。

　　凯利说，如果这些树能在田间存活下来，“如果我们继续研究下去”，“我们就会发现微生物，它们能从杨树中制造出大量的化学物质，现在我们知道了要寻找的标记——甲氧基含量。”

　　这给像王这样的研究人员提供了一个生产最适合化学生产的杨树品系的特定目标。王和他的同事们最近开始了对高级木质素改良杨树的实地试验，以解决这个问题。

　　目前，从树木中提取化学物质是可行的，通过传统的方法——将木材切成小块，然后使用化学物质和酶对其进行预处理，以便进一步加工。

　　凯利说，使用工程微生物来分解木质素有很多优点，包括更低的能源需求和更低的环境影响。

　　酶可以用来将纤维素分解成单糖，但在这个过程中需要不断地添加酶。他说，另一方面，某些微生物不断产生关键的酶，使微生物过程更加经济。

　　凯利补充说：“它们也比酶和化学物质做得更好。”“它们不仅分解纤维素，还将其发酵成产品，比如乙醇——所有这些都是一步完成的。”

　　“这些细菌生长的高温也避免了在无菌条件下工作的需要，因为你需要用较少的嗜热微生物来避免污染，”他补充说。“这意味着将树木转化为化学物质的过程可以像传统的工业过程一样运作，使其更有可能被采用。”

　　论文的另一位作者、王实验室的博士后研究员丹尼尔·苏利斯（Daniel Sulis）说，气候变化引发的环境灾难凸显了开展研究以找到减少对化石燃料依赖的方法的迫切需要。

　　苏利斯补充说：“一个有希望的解决方案是利用树木来满足社会对化学品、燃料和其他生物基产品的需求，同时保护地球和人类的福祉。”

　　“这些发现不仅推动了这一领域的发展，而且为进一步创新利用树木进行可持续的生物应用奠定了基础。”