诺维信公司致力于让纤维素降解更高效
利用酶解法生产纤维素乙醇曾被业界寄予厚望。这种方法是在酶制剂催化作用下，将秸秆、玉米芯等农业废弃物中的纤维素转化为葡萄糖等单糖，再由酵母菌发酵为乙醇。与玉米乙醇相比，纤维素乙醇具有原料来源广、不与人争粮等优点，因此相关研发和生产试验已在世界范围内广泛开展。然而，由于原料预处理难度大，缺乏经济高效的酶制剂，纤维素乙醇至今未能实现商业化生产。
诺维信（Novozymes）自2000年起开始研发用于生产纤维素乙醇的酶制剂。2009年，诺维信推出第一款标准化的复合纤维素酶Cellic CTec。2010年，诺维信推出赛力二代（Cellic CTec2），将生产每加仑纤维素乙醇所需酶制剂的成本降至50美分。2012年，赛力三代（Cellic CTec3）投放市场，为纤维素乙醇的商业化生产又添一份希望。
赛力三代可有效作用于经过预处理的玉米秸秆、玉米芯、小麦秸秆及城市固体废物等原料。诺维信表示，相对于赛力二代，赛力三代的转化率提高了50%。与此同时，其对温度和酸碱度的适应性也有所增强。据诺维信中国区亚洲能源项目经理吴桂芳介绍，“一般的酶解反应需要控制在40~50℃进行，而赛力三代在50~55℃也能保持效力。酶制剂性能的提升，使得纤维素乙醇生产过程中其他工段的成本也随之下降，从而将在理想工艺下生产纤维素乙醇的成本由每加仑2.5美元降至2美元。”中国科学院天津工业生物技术研究所副所长马延和表示，由于原料预处理成本高、酶制剂用量大、糖化效率低，糖醇转化率低等原因，目前纤维素乙醇的生产成本多在8000~9000元/吨（约合4美元/加仑）。
诺维信中国区研发中心总监吴文平博士向麻省理工《科技创业》详细介绍了纤维素酶研发的进展及趋势。
《科技创业》：我们注意到，诺维信研究人员曾对两个嗜热菌进行基因组学比较研究，并将结论发表在2011年的《自然•生物技术》（Nature Biotechnology ）上。赛力三代的温度适应性有所提高，是否与嗜热菌研究相关？
吴文平：有关系。诺维信的真菌基因组工作就是围绕嗜热菌进行的。在过去两三年时间里，我们曾对百余个、涉及几十个种的嗜热真菌进行测序。你看到的文章描述了两个具有代表性的真菌。一般的真菌在35℃左右就不生长了，而这两个嗜热真菌在40~45℃或50~55℃的温度范围内生长得最好，因此它们产的酶热稳定性较好。同时它们产的纤维素酶种类非常多，在较高温度下的水解效率更高。这是很好的研究对象——这种真菌为什么产纤维素酶？加入不同基物（例如小麦秸秆或玉米芯，编者注）时，它的酶会有什么变化？由此展开的研究具有重要意义。赛力三代（CellicCTec3）以及未来的酶制剂与这两个嗜热菌都会有一定关系。我们业内合作伙伴、竞争对手的研究方向也是类似的。
诺维信在研究中发现，嗜热菌（黄色和橙色）有两个生产糖类的温度高峰。
（图片来源：Nat Biotechnol. 2;29(10):922-7. doi: 10.1038/nbt.1976.v）
提高酶制剂对温度的适应性为什么能降低纤维素乙醇的生产成本？
一般情况下，随着温度上升，酶的水解效率也会提高。相应地，水解时间得以缩短，或者酶的加量减少，都能促使成本下降。另一方面，缩短水解时间可以减少对设备的占用量，从而减少工厂的设备投资。这是两个带给客户的直接好处。
对纤维素和木质素降解的生化机理是否有新的发现？
我们对这些机理有很多新的认识，尤其是蛋白质组学方面的。纤维素和木质素的降解不像我们之前想的那么简单，而且越是研究会越觉得复杂。我们在降解机理方面取得了两个突破，首先是发现了新的酶分子——这是GH61蛋白家族的一个成员，在纤维素的水解中起着关键的作用。与纤维素酶的机制不同，这个GH61分子不但能够直接对纤维素产生作用，同时还能破坏一些抑制剂，促使其他纤维素酶发挥更高效力。
另外，之前我们将研究重点都放在纤维素酶上，但我们现在发现一些新的酶系，如氧化还原酶，在纤维素的降解中也发挥着重要作用。
诺维信的研究人员解出了GH61家族成员的分子结构。其中，铜原子（黑球）在催化过程中起到了重要作用。
图片来源：Protein Data Bank（ID：3ZUD）
氧化还原酶对纤维素的降解有什么作用？
目前还不够明确。2010年的时候我去参加一个学术会议，会上有一位学者专门研究纤维素降解机理，比如一个真菌降解纤维素的具体细节。他把降解的过程比作“突破马其顿防线”，需要远程导弹和近距离导弹并用。氧化还原酶起着远程导弹的作用，它能疏松纤维素原本紧密的结构，类似于用大刀切一遍。纤维素酶则相当于近距离导弹，作用于被氧化还原酶疏松粉碎过的纤维素的特定位点。诺维信的研究在某种程度上验证了这位学者的理论。
基于这些新的发现，纤维素酶的研发策略以及工艺设计会做哪些相应的调整？
我觉得会有几个大的转变。在提高酶的效力方面，一个途径是需找有效的分子——如GH61分子、氧化还原酶，添加到酶系里面，从而提高酶的效率，降低酶的加量，这样一来总的成本也就降低了。另一个途径是，在确定纤维素酶的组分之后，用引进工程菌的方式引进有效菌株，然后把新发现的酶分子放进去，或者改造菌株使之提高产量，从而降低每公斤酶的生产成本。
有观点认为借助酶制剂实现纤维素乙醇的商业化生产很难，例如《科学美国人》的副主编大卫•别洛（David Biello）就曾在2011年撰写了《生物能源：瓶颈与希望》一文。他认为“即使是超级酶，分解纤维素也会很慢，因为生物相互作用需要时间才能起效，要大规模生产很难。”也许无论怎么改进，酶的效率存在极限。一些原本生产纤维素乙醇的公司也不再把乙醇作为主要产品了，而是改变工艺，将来自纤维素的糖转化为工业化工用品。相对于生产燃料，纤维素酶在精细化工行业的前景是否更为乐观？
我倒不这么认为。在过去十多年里，有关纤维素降解的研究工作形成了一个“糖平台”的概念——通过纤维素酶来做糖，再加工成化工试剂、氨基酸以及食品。糖的应用更加广泛了，纤维素生物质行业也由此更加广阔。
至于生物质燃料在成本上的可行性——酶制剂方面我们已经取得很大的突破，如果能把这个成本继续降低更好，这也是我们不断推出更高效的酶制剂的原因。把生物质做成乙醇是个很复杂的过程，效率方面会有一些问题，但是有很多工程、物理、化学方面的公司致力于工艺优化，把过去多年在预处理、发酵、蒸馏方面取得的成就整合在一起，今后会有越来越多的成熟工艺问世。我觉得有几家公司已经具备能力提供“交钥匙工程”这样的设计了。培育一个新的产业总是需要些时间，需要些耐力，需要些支持。
