【Discovery Studio应用案例】开发生物驱油过程中的脱蜡剂-BIOVIA Discovery Studio-生物/化学/分子仿真分析-软服之家

生

物

驱

油

Discovery Studio

技术一流服务一流

目前，不可再生化石燃料约占全球能源供应的 80%–90%。根据石油输出国组织的报告，到 2023 年底，全球石油总储量将达到 1.56 万亿桶。现代石油生产工艺可以通过一次和二次开采方法回收约 65% 的原油。然而，在枯竭的油田中，大约 35% 的原始石油仍以残油 (RO) 的形式残留，由于其高粘度和低流动性，很难回收。为了回收 RO，多年来已经开发了各种技术，可分为提高采收率和三次采油方法。目前，在实际油田应用中主要采用三种提高采收率的方法：化学驱、热力强化采油和微生物方法。前两种方法虽然采收率较高，但也存在一些缺点，例如，化学药剂的添加往往会导致二次污染，而对大面积油田进行加热处理会大大增加成本。而为了克服这些限制，科学家开发出了一种利用微生物采油的无毒、环保技术——即生物驱油（Microbial Enhanced Oil Recovery，MEOR）。该方案利用微生物的碳氢化合物代谢来改变反渗透的物理性质和组成，从而使反渗透更容易回收，主要目标是由烷烃（石蜡）、环烷烃（环烷烃）和芳烃组成的重油馏分，它约占总反渗透的 15%。重油的大部分成分是饱和烷烃，其中碳链长度超过 C18 的烷烃被归类为蜡。室温下，这部分饱和烷烃以固态存在。在从高温地下油井开采原油的过程中，随着温度的降低会导致蜡的析出，形成的蜡晶体附着在油井和采油设备上，大大降低采油效率。MEOR 过程主要处理蜡，因此实际上是脱蜡过程，参与 MEOR 的微生物也充当脱蜡剂。含蜡原油是石油工业常见的原料问题。统计数据显示，中国油田生产的原油中，含蜡原油高达 90%，这些原油中的蜡含量大部分在 20% 以上，某些样品的蜡含量高达 40%。目前，中国约65%的油田采用微生物脱蜡技术。生产生物表面活性剂和降解碳氢化合物是脱蜡菌株的关键能力，要优化该项生物技术，必须分离在这两方面都具有优良能力的天然微生物，或者通过基因编辑改造微生物底盘细胞以提高生物表面活性剂的产量，或者采用蛋白质工程增强碳氢化合物代谢途径中相关代谢酶的催化效率。

一

研究内容

2024 年 8 月 8 日，中国科学院微生物生理与代谢工程重点实验室王建军副研究员在Bioresources and Bioprocessing期刊上发表了研究性工作，通过对天然菌株进行基因改造，成功开发出一种具有增强油蜡去除能力的多菌株菌剂。开发了三种产芽孢细菌的细菌脱蜡剂。

首先通过常规方法在油田土壤中采集菌株样品，筛选原油降解菌并通过PCR扩增16 S rRNA 基因并在NCBI中Blast鉴定菌种。获得了2株底物特异性和降解率最高的枯草芽孢杆菌菌株。通过 Discovery Studio软件的CDOCKER将长链烷烃单加氧酶（ LadA 蛋白）与18 碳烷烃机进行分子对接，对接显示，His17和 His311 起到关键作用。

基于对接的复合物结合构型，然后将复合物再通过Discovery Studio软件的Calculate Mutation Energy (Binding) 功能进行计算定点饱和突变，分析了对接底物 5 Å 范围内的 25 个残基来检查结合口袋残基在复合物稳定中的作用。根据计算结果，Ala57His 突变体与 18 碳烷烃的结合能降低最为明显（-5.0 kJ/mol），其它位点诸如Phe10、His17、Ala57、Asp58、Val59、Tyr63、Gln79、Asn133、Val135、Ala227 和 His311 位点的突变导致 ΔG 值范围为 -5.0 至 -2.3 kJ/mol，表面这些位点的突变能够显著改善LadA 蛋白与18 碳烷烃的亲和力。