中子散射與超級電腦揭密：提升生質燃料生產效率的關鍵突破

美國能源部橡樹嶺國家實驗室（ORNL）與辛辛那提大學的科學家們，近期在理解微生物對丁醇的耐受性方面取得了重大突破。這項發現有望為更高效地生產國內燃料、化學品和材料鋪平道路。研究團隊利用ORNL的中子散射技術與分子動力學模擬，深入分析了丁醇的發酵過程。丁醇是一種高能量酒精，可用作生質燃料、溶劑或化學原料。

目前，生物生產丁醇的方法面臨一個主要障礙：丁醇對生產它的微生物具有毒性。這種毒性限制了發酵過程中丁醇的生成量，成為生質生產的一大挑戰。科學家們將研究重點放在微生物細胞膜中的特殊區域——膜域（membrane domains），這些區域在組織蛋白質和維持細胞穩定性方面扮演關鍵角色。

研究人員使用類似細胞膜的微小氣泡結構——脂質體（liposomes）進行實驗，發現丁醇會在膜周圍不均勻地積聚，導致較小的膜域合併成較大的區域，並促使膜的某些區域變薄。這一發現發表在《Langmuir》期刊上。丁醇的暴露最終引發了與細胞壓力相關的膜組織變化，導致發酵效率降低。

透過首次識別丁醇毒性的具體機制，科學家們可以著手開發具有更強、更耐抗性細胞膜的微生物菌株，或尋找對丁醇耐受性更高的微生物，甚至開發其他減少膜變薄的方法。研究團隊在發酵過程中使用了生物小角中子散射儀（Bio-SANS），該儀器位於高通量同位素反應爐（HFIR）的結構分子生物學中心（CSMB）。中子散射技術允許對膜模擬物進行非破壞性測試，讓科學家能夠觀察分子的結構和排列。

中子散射結果顯示，隨著丁醇濃度的增加，膜域尺寸也隨之增大，並揭示了膜變薄的現象。Bio-SANS讓科學家能夠「觀察到奈米級別的膜結構變化」，辛辛那提大學化學與環境工程副教授、專案首席研究員Jon Nickels表示。ORNL的CSMB主任Hugh O'Neill補充道：「中子散射能夠解析丁醇在膜中的分佈，這比X射線更具挑戰性，因為X射線只能顯示整體厚度，而中子則能探測膜內部，幫助確定丁醇的分佈情況。」

研究團隊還利用分子動力學模擬，這是一種基於電腦的方法，計算原子和分子隨時間的運動與相互作用，以獲取分子行為的詳細動態檢視。模擬結果支援了實驗觀察，並揭示了丁醇在膜域介面積累的細節。這些模擬在勞倫斯伯克利國家實驗室的國家能源研究科學計算中心（NERSC）的超級電腦上執行，提供了「完整的原子級影象，能夠深入理解這些系統並指導未來的實驗」，Nickels表示。

ORNL系統生物學與生物技術首席科學家Brian Davison指出：「這可能是溶劑毒性的一種新機制，溶劑不需要破壞『整體』膜，而是針對膜中的『弱點』——即膜域介面。」Nickels進一步解釋：「這項丁醇研究是驗證酒精在發酵過程中與細胞相互作用的新假設的關鍵一步。我們研究了這一假設的生物物理基礎，現在已經證明它在物理上是成立的。」

ORNL的博士後研究員、論文第一作者Luoxi Tan表示：「這些發現為我們提供了新的目標，以減少這些發酵產物的影響。我們現在可以探討更穩定的膜域是否能顯著降低發酵過程中的細胞壓力，從而提高轉化效率和丁醇產量。」Davison總結道：「ORNL的中子科學能力以及生物學與計算科學的深厚專業知識是這項專案的關鍵。SFA結構促成了多學科『A級團隊』的形成，從而對整個過程進行了全面分析。如果僅有中子散射，你只能看到膜域尺寸的增加，但若沒有分子動力學模擬，你將無法理解背後的原因。」

Nickels補充道：「這項專案代表了學術界與美國能源部國家實驗室之間的成功合作。ORNL擁有研究細胞膜結構的理想能力與專業知識。一旦你完成了中子散射分析，就可以開發模型來擬合資料，並提取如酒精在膜中的分配等資訊，從而獲得高度精確的分子結構。」