木質(zhì)纖維素生物質(zhì)是地球上最豐富、最廉價的可再生資源，據(jù)估算，年總產(chǎn)量高達(dá)百億噸。木質(zhì)纖維素原料富含纖維素和半纖維素糖類組分，是制取生物燃料及生物基化學(xué)品最重要的資源，對于推動世界低碳經(jīng)濟(jì)、維持我國能源安全具有重要的戰(zhàn)略意義。木質(zhì)纖維素的主要降解單糖成分為葡萄糖和木糖。其中木糖約占木質(zhì)纖維素糖類成分的18％-30％，是自然界的第二大糖類物質(zhì)，木糖的充分利用和轉(zhuǎn)化約占木質(zhì)纖維資源生物煉制體系總生產(chǎn)成本的25% ，因此木糖的高效利用成為影響其工業(yè)化生產(chǎn)體系經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵因素之一。 與葡萄糖發(fā)酵產(chǎn)品的多樣性及高生產(chǎn)水平不同，受到菌株及酶的生產(chǎn)性能所限，目前木糖能夠轉(zhuǎn)化的產(chǎn)品種類很少，轉(zhuǎn)化效率較低，是限制木糖廣泛利用的重要瓶頸。青島能源所趙廣研究員帶領(lǐng)的含能材料生物合成研究組近期成功在大腸桿菌內(nèi)利用木糖為碳源，實現(xiàn)了高附加值生物基化學(xué)品乙醇酸和乙二醇的生物合成，其產(chǎn)量、轉(zhuǎn)化率和生產(chǎn)效率等指標(biāo)均處于國際領(lǐng)先水平。
大腸桿菌因其培養(yǎng)成本低、生長速度快、遺傳操作簡單，并且自身含有木糖的轉(zhuǎn)運和代謝途徑等優(yōu)勢，成為木糖綜合利用的優(yōu)選宿主菌之一。然而，大腸桿菌的木糖代謝路徑較長，且需要消耗大量能量，成為制約木糖轉(zhuǎn)化效率的重要因素。與此相比，新月丙桿菌的木糖代謝路徑較短，并且含有多步產(chǎn)能過程。因此，研究人員將新月丙桿菌的木糖代謝途徑引入大腸桿菌，從而建立了乙醇酸和乙二醇的全新生物合成途徑。經(jīng)過系統(tǒng)的代謝改造、關(guān)鍵酶調(diào)控及發(fā)酵條件優(yōu)化等措施，乙醇酸和乙二醇的產(chǎn)量、轉(zhuǎn)化率、生產(chǎn)效率等指標(biāo)均處于國際領(lǐng)先水平。在發(fā)酵罐放大水平，乙醇酸的產(chǎn)量43.6g/L，木糖轉(zhuǎn)化率46.4%，生產(chǎn)效率達(dá)到0.91g/L/h。乙二醇的產(chǎn)量72g/L，木糖轉(zhuǎn)化率40%，生產(chǎn)速率達(dá)到1.38g/L/h，其中產(chǎn)量和生產(chǎn)速率的指標(biāo)達(dá)到現(xiàn)有水平的2倍之多，木糖轉(zhuǎn)化率接近理論數(shù)值。
在前期研究中，生物基材料組群還實現(xiàn)了木糖到木糖酸和1,2,4-丁三醇的高效生物轉(zhuǎn)化，系統(tǒng)建立了利用木糖為底物轉(zhuǎn)化合成高附加值產(chǎn)品的生物合成技術(shù)，豐富了木糖轉(zhuǎn)化產(chǎn)品的種類，提高了木糖利用效率，應(yīng)用潛力巨大，為木糖生物煉制技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。最新成果在Microbial Cell Factories期刊發(fā)表，相關(guān)系列研究獲得了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院重點項目、中國博士后面上基金等的資助。（文/圖 劉敏 趙廣）
相關(guān)成果發(fā)表：
1.Min Liu, Yamei Ding, Mo Xian, Guang Zhao. Metabolic engineering of a xylose pathway for biotechnological production of glycolate in Escherichia coli. Microbial Cell Factories. 2018, 17:51-62.
https://link.springer.com/article/10.1186/s12934-018-0900-4
2.Yujin Cao, Wei Niu, Jiantao Guo, Mo Xian, Huizhou Liu. Biotechnological production of 1,2,4-butanetriol: An efficient process to synthesize energetic material precursor from renewable biomass. Scientific Reports. 2015, 5:18149-18158.
https://www.nature.com/articles/srep18149.pdf
3.Yujin Cao, Mo Xian, Huibin Zou, Haibo Zhang. Metabolic engineering of Escherichia coli for the production of xylonate. PLoS One. 2013, 8:e67305.
http://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0067305
圖1 木糖綜合利用合成高附加值產(chǎn)品的代謝路徑圖
