自古以来，人类就发现了木本植物的用途——工具、遮蔽物、柴火。今天，科学家们正在努力增加更多的主要用途:可再生的、具有成本竞争力的生物燃料和增值材料。
将树木和废弃的生物质转化为液体燃料和其他生物产品一直是研究人员和企业家的目标，但多年来，这个问题被证明就像暴风雨中的一棵结实的橡树一样顽强。这种抗性可以一直追溯到构成植物细胞壁的分子，在细胞壁中，富含能量的纤维素纤维与半纤维素和耐寒的木质素混合在一起。许多生物燃料研究集中在如何设计“预处理”方法，有效地分离这些成分，使它们能够转化为有价值的产品。
美国能源部橡树岭国家实验室的一个研究小组利用超级计算机，在分解生物量的挑战方面取得了几项基本发现。在最近发表在《自然化学评论》上的一篇论文中，ORNL的研究人员Jeremy Smith和Loukas Petridis总结了10年来从分子水平上模拟由成千上万个原子组成的生物质系统得出的关键概念。除了确定生物质的分子结构和特征外，该团队还发现了在生物质预处理过程中起作用的临界力，即在酶解构之前应用热、水和溶剂。
“10年后，我们对事物的运行方式形成了一致的观点，我们以简洁的方式将其记录下来，这样其他人就可以利用这些概念，”田纳西大学(UT -ORNL)州长兼UT -ORNL分子生物物理中心(Center for Molecular Biophysics)主任史密斯说。“这项研究集中在一个特别重要的因素上，那就是溶剂化。多年来，溶剂化一直是将植物转化为高价值化学品和生物燃料的关键因素。”
解决溶解
近年来，新的实验溶剂可以有效地分解生物量纤维的长链，这种溶剂被称为聚合物，它已经引起了人们对降低纤维素乙醇生产成本的兴奋。纤维素乙醇是从木本植物中提取的一种生物燃料。然而，为什么有些溶剂比其他溶剂更有效，这是一个需要超级计算机来回答的问题。
史密斯的团队在橡树岭领导计算设施(OLCF)对泰坦超级计算机(一个27千万亿次的Cray XK7)进行了模拟。OLCF是美国能源部在ORNL的科学用户设施。
史密斯的团队与加州大学河滨分校(University of California, Riverside)的一个实验组合作，展示了高分辨率模拟的价值。研究小组研究了两部分溶剂的成分之间的相互作用如何在加速生物质分解成纤维素和木质素的过程中发挥核心作用。这种由水和有机化合物四氢呋喃(THF)组成的溶剂是ucr开发的一种生物质预处理过程的核心，这种预处理过程被称为“辅助溶剂增强木质纤维素分馏”(co溶剂Enhanced ligno纤维素分馏，CELF)，能够酶解释放90%以上的生物质木质素和糖。但是对于这种共溶剂是如何起作用的，研究人员一直没有找到解释。
UCR助理研究工程师Charles Cai说:“我可以展示实验数据，但在第一原理方面还没有分子水平的图像。”他在Sun Grant研究所和能源部生物能源科学中心的支持下领导了CELF预处理的开发。
与Smith团队的合作导致了一些结合分子动力学(MD)模拟结果和实验生物质反应的出版物。这些发现揭示了共溶剂混合物是如何工作的，也就是说，它是如何使木质素展开并展开成更大的形状的，以及THF和水在纤维素表面的分离是如何协调纤维素的水驱动分解的。
“只要知道溶剂分子和底物之间的构象变化，或可测量的相互作用，就给了我们一个新的镜头来研究这个系统是如何工作的，”蔡说。“通过MD模拟，我们可以找到THF和水在不同工艺条件下的特殊相互作用。”
十年的模拟
多年来在OLCF超级计算机上对多组分生物质的真实建模和模拟工作，为溶剂-生物质的相互作用建模奠定了基础。
2011年，史密斯的研究小组使用捷豹超级计算机分析了木质素的结构。2013年，该团队再次求助于Jaguar，并朝着多组分生物系统建模迈出了一大步。他们模拟了一个350万个纤维素和木质素原子系统，发现有序度较低的纤维素纤维与木质素的结合较少。该项目在2015年利用gpu加速的泰坦超级计算机进行了一次更加苛刻的模拟。在酶的作用下，模拟了2370万个预处理生物质(纤维素和木质素)原子系统，这是有史以来最大的生物分子模拟之一，需要数百万个计算小时才能完成。
“就可以模拟的系统规模而言，这确实是在推动前沿，”彼得里迪斯说。“这很重要，因为你需要让所有这些组成部分都呈现出来，并相互交流，从而建立一个真实的生物量模型。”
复杂性的每一次飞跃都提供了精确的分子水平的解释，从而增强了基本的理解。例如，模拟表明不同的植物聚合物对水的反应不同。这种对水的吸引或厌恶会对预处理的效果产生巨大的影响，并进一步解释THF的吸引力，它可以保护木质素不受水的影响，使木质素更容易去除。
“只有水或THF是不行的，”史密斯说。“你需要混合成对的溶剂。正是这种混合使得这些共溶剂预处理变得高效。
经过10多年的生物质研究，Smith和Petridis正在为下一个10年做准备。ORNL团队最近获得了一项新的超级计算分配，该分配是根据能源部的激励计划授予它进入Titan和OLCF最新的领导级超级计算机Summit的权限。
Summit是一个200 petaflop的系统，在每个节点上都有多个gpu，这将允许团队模拟更大、更真实的生物量系统。它还将提供足够的计算能力来进一步研究生物-溶剂的相互作用，以预测特定溶剂对特定植物的分解有多合适。
史密斯说:“我们的终极目标是找到一种完美的溶剂，这种溶剂将彻底分解植物细胞壁，将它们分离出来，使它们能够被最佳地用于生产生物燃料和其他高价值产品。”“未来的模拟将帮助我们发现溶剂实现这一目标所需的关键品质。”
相关出版物:Petridis, Loukas和Jeremy C. Smith。“为生物能源解构木质纤维素生物质的分子水平驱动力”。《自然化学评论》(2018):382-389。DOI:https://doi.org/10.1038/s41570 - 018 - 0050 - 6。
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