美国花巨资研究从白蚁中提取能源来替代石油

白蚁研究的前沿科技—白蚁肚子里的燃料工厂

 

　

 

　　最近科学家在哥斯达黎加白蚁的肚子里发现了300多种微生物。去年11月，这一发现在《自然》杂志上发表后引起世界轰动。惊人之处并非微生物的数量，人口腔中的细菌数量就多达600种。和普通细菌不同的是，这些只生活在白蚁消化道里的微生物包含500多种能够分解草木纤维素的生物酶基因。随着石油价格上涨，世界粮食短缺，木材和草加工的纤维素乙醇成为解决气候变暖问题的最大希望。然而由于草木中的糖分受到木质素保护，不容易提取，经过数十年研究，目前全球纤维素乙醇产量仍然非常有限。在人类失败的地方，白蚁却大获成功。工蚁能够吞噬坚硬木材，用强大的肚子消化吸收其中90%的糖分、二氧化碳和甲烷。

 

　　过去1亿多年里，白蚁们一直默默无闻。注意到它们的只有饥饿的食蚁兽，最近它们又因为爱啃木头的铁嘴刚牙被人所痛恨。其他社会性昆虫，比如蜜蜂和蚂蚁，因为它们的勤劳和工程天赋而备受赞赏。但是，普通人还不习惯欣赏白蚁———虽然它们能够建造高达20英尺的“白蚁山”。进化赋予白蚁的非凡力量———一些白蚁能够从头上的喷管喷射化学物质袭击入侵者；有的长着惊人的下颚，能够将蚂蚁的脑袋斩下———同样无助于提高白蚁的地位。相反，去年，伦敦自然历史博物馆的科学家形容白蚁是“社会蟑螂”，建议将它们重新分类。

 

　　越近观察白蚁，人们会越感到惊奇。一些种类的白蚁，如果发现它们居住的“山”被污染，会立刻通报所有白蚁，开始疯狂的大扫除。疾病入侵“白蚁山”后，幸存者会用它们的触角给小白蚁注射疫苗。当白蚁王后不能再生产，工蚁们聚集在它膨胀的身体周围，把它舔死。

 

　　最神秘的还是工白蚁的第三个消化道，其中有结构复杂的胃，且每一种白蚁的胃构造都不相同，好像每朵雪花都是独一无二的。虽然大小仅仅相当于一粒芝麻，白蚁的第三节肚子里生活着数量众多的共生微生物。其中大部分地球上其他地方都找不到，只生活在白蚁肚子内；它们依靠成年白蚁“传”给后代。

 

　　这些微生物对于人类可能是无价之宝。不久前，科学家通过复杂的基因排序，从哥斯达黎加白蚁的肚子里的300多种微生物中找到超过8万个基因。这一发现发表在去年11月的《自然》杂志上，引起广泛关注。惊人之处不在于白蚁肚子里的微生物数量———毕竟，人的口腔口中就包含着600种细菌———而在于，这其中500个是能够分解草木纤维素的酶的基因。

 

　　石油价格达到历史新高，人们正在寻找将植物材料变成汽油替代燃料的方法，你可以称之为草油（grassoline）。自2007年起，美国的能源政策就基于一个前提———2017年前，美国能够生产足够多的生物燃料，取代350亿加仑汽油，到2030年，生物燃料将取代600亿加仑汽油。玉米乙醇备受争议。有人指责生产玉米乙醇浪费水，消耗土地，导致墨西哥的玉米饼危机，亚洲大米短缺。由于这些原因，目前，美国玉米乙醇年产量只能替代约42亿加仑汽油。更糟糕的是，在种植玉米、生产乙醇的过程中排放的二氧化碳几乎和开采提炼石油排放的温室气体一样多。

 

　　木材和草似乎是希望所在。它们包含数千种葡萄糖分子，能够被转化成所谓的纤维素乙醇，然后像汽油一样燃烧，而释放的温室气体只有汽油的15%.但是，有一个问题。树木的糖分包裹在木质素中，被锁在纤维素和半纤维素中，受复杂化学键保护。由于这些糖分难以获得，虽然经过几十年的研究，纤维素乙醇的生产仍然极其有限，每年产量仅150万加仑，约相当于石油消费量的1%.

 

　　但是，人类失败的地方，白蚁却大获成功。一只工白蚁用强有力的下颚撕咬下木头，剩下的就交给它的肚子处理。白蚁的肚子像个生物化学工厂，能够分离木头中的糖分、二氧化碳、氢和甲烷，效率高达90%.正是凭借这些小小的生物提炼厂，全美国的白蚁才能每年吞噬消化掉超过110亿美元的物产。但一些科学家也相信，它们也让白蚁成为某种生物技术“侏儒怪”，能够把麦秆或木材边角料变成宝贝。假如让一只白蚁吞下这张报纸，它肚子里的微生物将帮助其分解，变成两升氢气，足够驱动燃料电池车跑上6英里。如果我们能够把废木材变成燃料，哪怕效率只有白蚁的十分之一，那么只靠碎木屑、杂草和旧杂志就能够驱动整个国家经济。

 

　　因此，白蚁可能终于等来了扬眉吐气的日子。去年，在谈到向生物燃料经济转型时，美国能源部长塞缪尔·W·博德曼指着一张“从白蚁到油箱”的燃料生产示意图断言，“我们知道这能够办到。”另一位官员称之为，潜力巨大的发现。突然之间，白蚁无处不在，从《大众科学》到《国会季刊》都刊登了关于它们的报道。虽然还不能说白蚁已经成一夜成名，（虽然最近它确实在《名利场》杂志的注脚中占了一席之地。）但是，在某些圈子里，它已经作为“能够解决能源问题，顺便改变地理政治和农业的害虫”而为人所知。

 

　　去年，美国能源部启动一项计划，从7家政府实验室，18所大学和多家私人公司挑选科学家组成了3个生物能源研究中心，目的是在5年之内，让纤维素乙醇变得和汽油一样有市场竞争力。这一计划耗资1.75亿美元，重点在了解草和木材的结构，了解各种生物是如何分解它们。科学家希望，通过基因改良让我们造出更廉价的燃料。这3个中心的任务是研究出能够被商业化的方案。

 

　　《自然》杂志报道的“白蚁计划”开始于两年前，基于相同的政府私人合作模式，现在是能源部“生物燃料计划”的重要组成部分。事实上，白蚁可以被看成该计划的“指示物种”，随着科学家的逐步了解，它们越来越多的“魔鬼”特性开始显现出来。

 

　　2005年，美国能源部联合基因组学院的微生物生态学家福柯·沃尼克和加州理工大学及圣迭戈Diversa生物技术公司的研究者一起去哥斯达黎加考察，他们在一棵树上发现一个巨大的白蚁巢。科学家解剖了165只工蚁，将它们的第三节肚子内的东西用液氮冷冻起来，运回Diversa市实验室。从微生物细胞内提取DNA后，Diversa把一个样本送交能源部联合基因学院进行排序。

 

　　联合基因组学院位于加州核桃溪市一幢低矮的砖头建筑内，正在给数百种植物和微生物的基因组排序，这些动植物有一个共同特征：具有帮助能源生产或清理环境的潜在价值。学院是生物能源研究中心的核心，成立于上世纪90年代末，原本是人类基因组计划的一部分。学院和能源部有着几十年的合作关系，一直负责跟踪研究核爆炸受害者和核工厂工人的基因变异。走进学院大厅，立刻可以注意到当前研究的规模：一个电视屏幕上展示着一个计数器，记录着每年、每月、每天、每分、每秒已排序基因的数量。我抵达时是去年春天的一个上午，计数器上显示当天已排序DNA碱基对数量为25，555，288.每过一秒钟，又有1000个碱基对加入已排序队伍。感谢技术的发展，现在学院每小时排序的基因数量相当于1998年一整年的工作量，到年末，这个速度还将翻倍。

 

　　即使对于习惯面对成堆数据的人，描绘白蚁第三消化道内寄生的微生物基因组图谱仍然是一项艰巨可怕的工作。“多得让人恶心的数据，”学院微生物生态学计划负责人费尔·哈根霍尔兹是个外形粗犷的澳大利亚人，40多岁，说话速度很快，好像打开的水龙头。传统基因组分析方法一次给一种有机物排序，但哈根霍尔兹是宏基因组学的主要倡导者。宏基因组学指同时给整个微生物群落的DNA排序，再在电脑科学、统计学和生物化学的帮助下，整理产生的杂乱松散的基因代码。采用宏基因组学的方式不但快捷，还能够整理从前无法发现的基因。这是因为，只有很少量的微生物———不到全部细菌种类的1%———能够在实验室内培养。许多生物学家把宏基因组学视为科学革命，其意义相当于显微镜的发明。然而，在实践中操作起来却相当困难。

 

　　当基因测序完成后，得到7100个零碎的DNA代码。然后必须将这些碎片组装成较长的基因链，再对其扫描，确定它们可能的功用和它们究竟来自300多种微生物中的哪一种。接着，科学家们将寻找可能是酶的化合物，将它们与已知的能够处理纤维素的酶进行对比。目前，白蚁第三消化道的宏基因组图还只是一幅充满可能性的密码画像，远比电子纤维照片详细，但并不能令人满意，因为其中还有许多不确定因素。

 

　　接下来，科学家们刚开始最艰难的工作———发现这些密码的具体功能。哈根霍尔兹说，“这就像了解一所房屋，但是只能凭借别人给你的一张建筑图纸———而且还是一张被撕得支离破碎的图纸。”即使如此，这些图纸仍然令人惊叹。白蚁的肚子里不仅有可以把木材分解成糖的生物酶：比如，有上百种近似梅毒病毒的螺旋菌，但它们在白蚁体内的主要功能却是生产氢气。此外，还有一种神秘的蛋白482次出现。沃尼克说它的样子就像国际空间站。他在纸上画了个草图，果然像乐高积木搭成的空间站，上面插接着不同的酶，假设这种蛋白可能帮助提取木材中的糖。但这仅仅是科学家的猜想。沃尼克告诉我说：“一下子找到对海量新数据的一个缺点是，你不知道它们究竟有什么意义。”

 

　　哈根霍尔兹和沃尼克需要解答的问题还很多。为什么白蚁体内有300多种微生物，500多种不同的基因用于降解纤维素？该如何确定哪种微生物是最重要的？某些种类的白蚁的肚子内的“降解工厂”是否比其他的白蚁更强大？那个国际空间站模样的蛋白有什么作用？为了回答这些问题，他们需要更多的白蚁。他们从得克萨斯某农场的奶牛粪便中弄了一些白蚁样本。他们要求老农场主在文件上签名，要求他放弃可能因该样本产生的任何知识产权。老人惊讶得下巴差点掉到地上。

 

　　一天下午，我观看沃尼克解剖了50只新找到的白蚁。他熟练地用夹子抓着白蚁的两头，轻轻一拉，白蚁的肚子被拉开，仿佛一条疙疙瘩瘩的绳子。他给我看了一张白蚁肚子的电子显微图。它像一张毛绒绒的地毯，上面布满了条形细菌。沃尼克指着一个突起的结构说，那可能就是“空间站”形状的蛋白。他怀疑，这些蛋白的功能类似瑞士军刀，汇集了多种工具式的酶和催化剂，它们分布在细胞外面，瓦解木材难啃的化学键，让细胞释放糖分。如果假设正确，那么这些蛋白将是生产生物燃料的关键，通过它可以把释放出的糖发酵变成乙醇。

 

　　但只凭借这张放大图片还不能得出结论。哈根霍尔兹坐在电脑屏幕前，抱怨说，白蚁的肚子里没有发现木材———它们太饿了吗？他相信他们的小组最终能够发现蛋白的作用。他说，“看上去我们这里的工作似乎是在盲目摸索，但是，有时在黑暗中，答案突然清晰呈现。”

 

　　一天早晨，我和哈根霍尔兹和沃尼克在咖啡店见面。他们立刻开始谈论白蚁肚子内的反应。沃尼克说，“有时你会觉得，是那些微生物在主宰白蚁。它们肯定有控制宿主的方法。”哈根霍尔兹想到一位同事的观点：“也许，白蚁仅仅是它肚子里的生物的高级传输系统。”我们倾向于认为，在共生关系中，体形较大的生物占据主动权，但是，像白蚁和它体能的微生物之间的关系涉及不断的化学信息交流互动。哈根霍尔兹说，即使人类也在潜意识地偷听我们肚子里的微生物的“对话”；我们突然渴望吃薯片，原因是体内的微生物需要盐分。他警惕地看了看桌上的咖啡说，“你们认为这是不是让我们胃里的细菌给惯的？”

 

　　历史显示，科学研究只遵循自己的时间表，往往要等到批准研究的拨款人早已卸任后方才见成果。但是，投资者都不愿在看不到实际用途的情况下单单为满足科学家的好奇心而付账单。当《自然》的研究开始时，Diversa公司处于“生物探矿”领域的前沿———满世界搜寻新奇环境和生物酶。去年和一家生物燃料公司合并后，它更名为Verenium，研究方向转向开发动物饲料、纸张和燃料生产过程所需的酶。

 

　　Verenium公司的酶技术部副主任大卫·维纳领我参观了他们的实验室，向我展示他所谓的“大漏斗”———这是Verenium公司发明的工序，用于筛选自然“知识财产”，寻找可以转化成商业利益的酶。“我们对DNA并不真感兴趣，”他说，意思是他们只关心酶的作用，而非它们的起源。

 

　　联合基因组学院一开始就对白蚁肚子内的微生物DNA测序，然后才试图发现它们的用途。与此相反的是，维纳的同事们把从哥斯达黎加找到的材料全部送去试验，用“漏斗”方法将最有用的酶从数百万种无用的酶中分离出来。研究者把基因片段植入实验室细菌体内。这些细菌经过特殊“驯养”，能够生产该基因片段代码对应的酶。然后，他们拿这些酶做纤维素分解试验。只有那些能够“攻击”纤维素的酶的基因组会被排序。联合基因组学院可以被看成勤奋的图书管理员，按部就班一步一个脚印地学习。相比之下，Verenium的一名高级研究员告诉我，他们公司只注重最后结果，一旦得知所有配料，就会立刻把注意力转向最终产品，对于中间环节并不关心。

 

　　大多数工作在一台机器内完成。这台机器类似某种机器人，名叫GigaMatrix，全身包裹着不锈钢，看上去像80年代末的复印机。顶部有两个平板电视监视器，侧面有一扇门。它一次可以扫描超过100万种酶，一天就能完成一名人类实验室技术员1辈子也做不完的工作。GigaMatrix对从白蚁肚子里采集的500多种有趣的酶进行分析，找出大约100种可能有实际用处的。然后，拿去做纤维素分解实验。通过实验再被植入“工厂”细菌，进行批量生产。在这一过程中，科学家会对酶的生长和功效进行精确测量。只有少量功能最强大的得到继续研究。这些强大的酶互相混合成“鸡尾酒”，测量它们合作的效率。维纳说，经过层层淘汰，最终只有屈指可数的几种留到最后。

 

　　Verenium公司顾问杰夫·黑泽伍德告诉我，目前，公司已经把白蚁研究放到了一边，继续研究其他更有利可图的目标。“我们不能无限度地投入资源。”无论白蚁肚子工厂的效率多么神奇，但未必适合工业化复制。也许在白蚁肚子———维纳满怀敬畏地称之为“整个城市”里确有天才，但是自然界共生现象创造的奇迹无法打动追求效益的公司。维纳说，“我们想要更快，更便宜，更高效的方法。”

 

　　现在，还说不准白蚁最终能否成为生物燃料生产的救星。相反，白蚁研究可能成为反面教材，告诉人们，按照政治家的时间表复制自然过程是有难度的。相比之下，制定一套全面合理的能源政策———投资改进能源效益、改变个人生活习惯、与其他大石油消费者联手控制价格———也许比参照白蚁肚子里的工厂创造一个全新的纤维素经济更快更容易。

 

　　白蚁不乏其批评者。其中之一是加州大学伯克莱分校的化学工程教授哈维·布兰奇。“那些细菌吃得很精细！”布兰奇解释说，当木材抵达白蚁的第三消化道时，已经被咀嚼成碎屑，并经过第二个胃的高碱性液体浸泡；经过前面的处理，那些微生物已经不需要再花多少功夫。布兰奇说，用类似方法对木材进行前期处理将非常昂贵。他认为，白蚁被吹捧过头了，背后的原因是，人们过于期待找到取代汽油的简单无痛的方法。

 

　　布兰奇本人对在政治目标驱使下搞研究的弊端深有体会。上世纪70年代初，他受命研究用石油加工“类比肉”，当时这被认为是解决世界饥饿问题的途径。比如，用吞食石油副产品的酵母生产单细胞“鸡肉”。但是，1973年爆发石油危机，原材料成本暴涨，立刻扼杀了石油蛋白生意。布兰奇然后转而研究纤维素乙醇。可是，到上世纪80年代，这一计划被前总统里根砍掉。现在，他一方面希望我们最终能够合成新的有机体，帮助创造更好的燃料，另一方面，他又担心人们把太多希望寄托在简单技术解决方案上。“考虑到工业化生产的规模，很难想象，任何神奇的生物体能够实现我们的期望。”

 

　　几年前，美国政府实验室制定目标，计划在2012年前让纤维素乙醇的价格降到每加仑1.33美元。但布兰奇警告说，如果原材料涨价，零售价可能达到每加仑6至8美元。他认为，2012年的最后期限太仓促，实现1.33美元至少需要10年。由于过去的经历，他担心那些无法按时完成目标的项目将有被斩首的危险，这使生物能源研究中心和科学家们都倍感压力。

 

　　这些担忧揭示了白蚁研究背后的矛盾：追求快速成果和基础科学踏实系统化研究方法之间的冲突。一些科学家———甚至包括部分风险投资者都担心急功近利可能让我们忽视基本科学研究，从而损害长期利益。

 

　　哥斯达黎加白蚁肚子里发现的8万多个基因还有一半尚未被识别，而这4万个基因中的每一个都至少需要一篇博士论文去探讨。哈根霍尔兹说，宏基因组学现在面临的问题是，太多信息，太少参照。他解释说，“排序技术远远超前于我们给这些基因分类定性的能力。”这可能导致“基因组腐烂”———当一位科学家弄错一个基因，引发连锁错误，然后这些错误又被累积蔓延到其他基因组。科学研究的传统模式依靠发现的累加，但现在，宏基因组学更像一个巨大的三维拼图，每一片知识，每一个错误都会影响整体。试图为商业利益找到局部答案可能和解决整个问题一样复杂。这还可能导致研究者半途而废，去寻找其他更容易捷径。

 

　　帮助组织哥斯达黎加考察的埃里克·马修曾是Diversa执行官，现在为SyntheticGenomics工作。这家克雷格·文特尔（人类基因组研究先锋）创建的公司专门研究生物基础燃料和减少温室气体排放的方法。马修说，《自然》杂志上刊登的论文只是漫长研究过程的开始，最终的目的是了解共生生物如何处理木和碳。他认为，在白蚁肚子里寻找个别的酶是死路一条，但是驾驭整个共生系统可能是希望所在。挑战在于，了解这些共生系统的整体新陈代谢作用，然后用合成生物学工具创造一种“奴隶生物体”，让它把所有资源（直到最后一个电子）用于处理碳元素。他说，“新陈代谢工程学是提高生产力的强大工具。”

 

　　但是，支持基础研究的最有力论据也许在于白蚁本身。加州理工学院的环境微生物学教授杰拉德·里德贝特记得，18年前，他第一次看放大的白蚁内部时，感觉像是“漫游奇境的爱丽丝”。里德贝特带头研究了白蚁肚子中几种螺旋菌的新陈代谢作用。像马修一样，他认为可以通过白蚁的内部工厂琢磨出对抗气候变暖的方法，理解并改变碳循环过程。

 

　　里德贝特说，白蚁最神奇之处也许并不在它能够生产多少乙醇，而在于它们产生的甲烷多么少。奶牛吞食的草料中20%的能量会损失，因为它们肠胃里的微生物将草中的氢和二氧化碳结合，生成甲烷。甲烷是一种更严重的温室气体，它捕捉的热量是二氧化碳的20倍。因为这个原因，2006年，美国农业牲畜排放的温室气体比铁、钢铁和水泥工业加起来还多。而白蚁吃下的食物中，只有2%的营养被转化成甲烷，因为，它们体内的螺旋菌把氢和二氧化碳转化成醋酸盐。如果我们能够理解这个过程，也许就能把新的微生物群落放进奶牛胃里，减少它们生产的甲烷。

 

　　现在距离改变奶牛胃里的化学反应还有遥远。但是，用白蚁改变碳循环过程已经在小规模取得商业成功。美国弗吉尼亚州的ArcTech公司让白蚁吃煤炭，然后剖开它们的肚子，寻找里面最擅长将煤炭转化成甲烷的微生物，然后，专门培养这些微生物，喂它们吃煤炭，生产甲烷。公司计划用甲烷发电，已经开始出售生产过程中产生的副产品，包括一种土壤添加剂。ArcTech说，这一方法消灭了煤炭发电过程中产生的几乎全部温室气体。其他公司正尝试合成类似微生物，把它们送去废旧矿山和油田，打扫剩下的燃料残渣。此类努力可能对环境和地理政治产生巨大影响：专家估计，把油田产量从目前的占总储量的30%提高到40%，仅此一项就相当于发现一个新的沙特阿拉伯。

 

　　谁知道呢，在白蚁肚子中也许还埋藏着其他答案。在里德贝特实验室工作的研究生伊丽莎白·奥特森剖开一只白蚁，将它放到显微镜下，跟我讲解内部乾坤。初看上去，里面黑乎乎的东西似乎没有动静，那些微生物显然被挤压得太紧无法移动。奥特森加了一点儿水，各种微生物凸显出来，有点滴状的披毛虫，有扭动的螺旋菌……还有许多太小无法肉眼识别的细菌。这些居民们的位置排列比曼哈顿地产更讲究。奥特森说，那些居住在边缘的需要氧气，中间的则是厌氧生物。许多是高速运动的“漫游族”，装备有复杂的感应和游泳装置，帮助它们寻找氧气和其他气体。白蚁肚子里的微生物，尤其是它们的基因存在“过剩重复”现象，表明它们经过自然的过度“加工”，以适应最恶劣环境（包括被迫以煤炭为食）。比如，螺旋菌的鞭毛夹在坚硬的双层皮肤中，让它们能够穿过最粘稠的环境。

 

　　里德贝特估计，要回答所有关于白蚁体内工厂的秘密还需要至少25年。在此过程中，这种小昆虫提供的线索可能帮助解决气候变化问题。然而，里德贝特说，白蚁的最大价值或许在于，它们相当于一个宝库，包含了1亿年地球生存累积的生物智慧。“当你看一只白蚁和它的体内微生物群，”他说，“你看到的是众多自然选择的优胜者。”