基因工程在生物柴油原料中的应用研究

                  作者：郑明刚 随建强 郑立 韩笑天 崔志松

　　摘要生物柴油由于其燃烧性高、污染小、可再生等优点,是传统化石燃料的理想替代能源,并已在世界范围内得到广泛应用。基因工程技术在生物柴油中的应用,主要集中在提高生物柴油原料的脂类含量上,如对含油植物和含油微藻的研究。结合国内外主要研究进展,综述了运用基因工程技术提高生物柴油原料脂类含量的8种途径,如超量表达乙酰辅酶A羧化酶、脂肪酸合成酶、苹果酸酶等。最后指出:将微藻作为生产原料是我国生物柴油产业发展的必然趋势,通过转录因子途径调控脂类的积累,是未来生物柴油产业发展的重要研究方向。
　　关键词基因工程;生物柴油;应用;脂类含量;微藻
　　AbstractBiodiesel,due to its advantages of better burning performance,lower pollution,renewable feature etc.,is the ideal alternative energy source oftraditional fossil fuels and has been widely used in the world.The application of gene engineering in biodiesel production is mainly on improving the lipid content of biodiesel raw materials,such as oil plants and oil microalgae.In this paper,according to the research progress at home and abroad,the application of gene engineering in eight channels to improve the lipid content of biodiesel raw materials were reviewed.At last,it isconcluded that using microalgae as a feedstock is inevitable trend of biodiesel industry’s development in China.With the transcription factor pathway regulating lipid accumulation is an important research direction in the future development of biodiesel industry.
　　Key wordsgene engineering;biodiesel;application;lipid content;microalgae
　　
　　社会的发展加速了人类对能源的消耗,能源问题已成为各国亟待解决的世界性问题。统计显示:全球石油探明储量仅供生产40年,这更为人类敲响了能源危机的警钟。此外,化石能源燃烧过程中会产生大量CO2,引起的温室效应将直接影响人类的生存环境。因此,为解决能源和环境问题,世界各国都在积极地寻找新能源,以应对将来可能发生的能源危机。生物柴油作为生物能源的一种,越来越得到各国的重视。与化石柴油相比,生物柴油具有闪点高、燃烧性高、污染小、可再生等优点,是化石燃料的理想替代能源[1]。
　　生物柴油原料的油脂含量是制约生物柴油发展的一大瓶颈。运用基因工程技术,克隆并特异性表达调控脂类合成相关酶的基因,从而提高生物脂肪酸含量并改变其组分以适应生物柴油发展的需要,是目前解决这一难题的有效手段。本文结合基因工程技术的应用现状,综述了基因工程在改造生物柴油原料中的研究进展,以期对生物柴油产业的发展提供一定指导。
　　1基因工程概述
　　基因工程,又称DNA重组技术,是指在基因水平上,以人工的方法取得目的基因,在体外重组于载体上,形成重组DNA分子,然后将重组DNA分子转入受体细胞进行复制、转录和翻译,从而产生人们所需要的目的基因的产物。基因工程技术打破了天然物种屏障,人们可以按照主观愿望,将来自不同生物体的DNA 片段组合到一起,并获得新的表达产物。
　　基因工程技术促进了生物学的迅猛发展,为解决生命科学领域的一些重大问题提供了强有力的手段,现已广泛应用于农业、医学、食品和环境保护等诸多领域。如培育抗虫、抗病、抗寒、抗旱农作物新品种,生产基因工程药物和可降解有毒物质的工程菌等。同样,在生物柴油的生产中,运用基因工程提高生物柴油原料的油脂含量,也逐步取代了传统方法,并取得了显著的效果。
　　2基因工程在生物柴油中的应用
　　生物柴油作为一种新型可再生能源,其生产原料主要为含油植物,如大豆、油菜、棕榈和蓖麻等。此外,将含油微藻作为生物柴油原料,也在逐渐成为一个新的研究领域。用微藻生产生物柴油具有更多优势,缪晓玲等[2]利用小球藻生产的生物柴油,不仅具有传统化石柴油相当的密度、粘度和热值,而且具有更低的冷滤点和良好的发动机低温启动性能。
　　迄今,基因工程技术在生物柴油中的应用,主要集中在提高含油植物的脂类含量上。虽然在含油微藻方面也有一些研究,但也主要借鉴对含油植物的研究方法。下面结合国内外主要研究方向,综述基因工程在提高生物柴油原料中脂类含量的研究进展。
　　2.1乙酰辅酶A羧化酶(ACCase)
　　乙酰辅酶A羧化酶(Acetyl-CoA carboxylase,ACCase)是脂肪酸生物合成的关键酶,它催化脂肪酸合成的第一步反应,即催化乙酰辅酶A生成丙二酸单酰辅酶A[3-6]。生物中的ACCase有2种类型:一是异质型,存在于细菌、双子叶植物和非禾本科单子叶植物等的质体中,由BC(生物素羧化酶)、BCCP(生物素羧基载体蛋白)、α型CT(羧基转移酶)和β型CT(羧基转移酶)等4个亚基组成[7-8];二是同质型,存在于动植物、酵母、藻类等的胞质溶胶中,由单亚基组成[9-12]。有研究表明,植物脂肪酸含量与ACCase的活性呈正相关。为了提高含油植物的脂肪酸含量,许多研究者进行了超量表达ACCase的试验。其中,Roesler等将一个叶绿体转移肽和napin启动子与拟南芥同质型ACC1基因融合,然后转化甘蓝型油菜。结果发现,转基因油菜的T1代成熟种子中ACCase的活性增加了1.7~1.9倍,总的含油量约增加了5%。由于ACCase过量表达,也改变了种子脂肪酸的组成[13]。Ohlrogge等[14]用同样的方法转化油菜,获得的转基因油菜T1代成熟种子中ACCase的活性增加了1.7~1.9倍,脂肪酸含量增加了6%。