想让大自然中的生物自愿为我们提供燃料？这并不容易。它们为了生长与生存，总是将摄取的能量转化为各种物质，如脂肪、蛋白质和DNA。但对于生物燃料而言，重点几乎只在于脂肪，因为脂肪本身就是长链碳氢化合物，与常用的液体燃料结构非常相似。实际上，脂肪转化为生物柴油的过程相对简单。

那么，如何让这些生物乖乖地为我们生产燃料呢？目前主要有两种方法：一是利用基因工程改造已知生物，使其代谢出目标产物；二是寻找天然就能满足需求的生物。合成基因组公司（Synthetic Genomics）的研究人员将这两种方法结合，发现了一种藻类，在通过“断粮”阻挠其生长时，会产生大量脂肪。在使其饥饿的过程中，科学家们发现并改变了一个重要的生长调节机制。经过基因改造的藻类可以在继续生长的同时持续产生大量脂肪。

了解这种藻类

这种藻类是单细胞的海洋富油微拟球藻（Nannochloropsis gaditana）。它有两种特别适合生产生物燃料的特性：首先，它完全适应含盐水体，这可以节省宝贵的淡水资源；其次，它能自然产生大量脂肪（主要是三酰基甘油）。当科学家们不让其摄入基本营养素——氮时，它会产生饥饿反应，将摄取的能量转化为脂肪储存起来，这些油脂最终可达到细胞净重的60%。

然而，阻挠微拟球藻生长的方式不可持续，会导致藻类资源耗尽。为了在不阻碍生长的情况下达到相当的脂肪产量，研究人员长期寻找方法，但苦于缺乏基因编辑工具，且对饥饿反应过程了解不足。

关键突破

合成基因组公司的新成果解决了上述难题。首先，他们成功在微拟球藻中应用了CRISPR/Cas基因编辑技术，可以任意改变甚至替代任何基因。同时，研究人员研究了饥饿反应的激发机制，发现基因对饥饿反应的影响在完全切断氮元素后的五小时内最为显著，五小时后脂肪代谢发生明显变化。他们将目光聚焦于三小时内的基因变化，并成功发现了控制饥饿反应的基因，共列出20种相关基因，并使用CRISPR技术抹除了其中18种。

模拟饥饿反应

研究收获颇丰，在18种基因中，有一种名为ZnCys的基因完全满足了预期。如果将该基因抹除，在非饥饿状态下脂肪积累速率是正常情况下的三倍。然而，这种方式仍会阻碍生长，导致藻类生长越来越慢，总产量反而不如正常情况。

研究人员没有直接对抗ZnCys基因，而是在其周围基因组中寻找影响因素。他们发现周围基因组控制着蛋白质产量输出，因此通过控制蛋白质输出，制造出活性降低但未完全抹除的弱化版ZnCys。为了测试，他们制造了三种新藻类，分别将ZnCys活性减少20%、50%和70%。

三种弱化版本均有效，虽然在不正常生长情况下产量略低（差值仅5%-15%），但藻类细胞总量减少的同时，合成了大量碳并转化出两倍多的油脂。更重要的是，这是一种可持续的方法，只要一天内转化为生物燃料的细胞不超过整体的70%，就不会出现资源耗尽的情况。

进一步研究表明，弱化版ZnCys减少了其他基因摄入氮元素的能力。即使环境中存在氮，微拟球藻细胞也不会摄取太多，从而处于“半饥饿状态”，这是该方法成功的原因之一。

理想与现实仍有差距。合成基因组公司原本期望找到一种能在不影响氮摄入的情况下完全操控饥饿反应的基因，因此对ZnCys的发现可能有些失望。但无论如何，研究成果喜人，展示了微拟球藻摄取氮元素的机制。其余许多基因是否对油脂产出有明显影响尚不确定，研究人员仍在探究氮元素减少时其他机制的变化。

目前，研究人员已拥有一种能以双倍速率产出生物燃料的方法，相比最初，进步显著。