木質(zhì)纖維素生物轉(zhuǎn)化的經(jīng)濟性和清潔性，一直是阻礙秸稈等農(nóng)林廢棄物大規(guī)模利用的最大瓶頸。目前木質(zhì)纖維素生物轉(zhuǎn)化的主流策略是基于游離纖維素酶的同步糖化發(fā)酵工藝，但其中的核心酶技術(shù)被國外公司壟斷，且用酶成本難以進(jìn)一步降低，使現(xiàn)有工藝不具備市場競爭力。整合生物加工（consolidated bioprocessing, CBP）是近些年提出的木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化策略，將纖維素酶的生產(chǎn)、木質(zhì)纖維素底物酶解、最終產(chǎn)物發(fā)酵等環(huán)節(jié)整合到同一反應(yīng)器中進(jìn)行，具有簡化流程、降低成本和設(shè)備要求等優(yōu)勢。但由于CBP策略將多個步驟在同一反應(yīng)器中同時進(jìn)行，需要對反應(yīng)條件進(jìn)行妥協(xié)平衡，難以同時獲得高的產(chǎn)酶、酶解和發(fā)酵水平，而且最終產(chǎn)物單一且難以進(jìn)行調(diào)整，大大限制了其應(yīng)用范圍。
為此，青島能源所代謝物組學(xué)研究組另辟蹊徑，提出了基于纖維小體全菌催化劑的木質(zhì)纖維素整合生物糖化（Consolidated Bio-Saccharification，CBS）全新策略[Liu S, et al, 2019, 12(1):35]。該策略將酶的生產(chǎn)與水解步驟有機整合，同時將下游發(fā)酵步驟進(jìn)行一定程度上的分立，以可發(fā)酵糖這一平臺化合物作為目標(biāo)產(chǎn)物，具有用酶成本低、過程簡單、下游出口靈活等優(yōu)勢，有望在木質(zhì)纖維素生物轉(zhuǎn)化生產(chǎn)各種化學(xué)品、功能食品和藥品中得到廣泛應(yīng)用。
纖維小體是熱纖梭菌（Clostridium thermocellum）等厭氧微生物分泌的一種可以高效降解木質(zhì)纖維素的超分子復(fù)合體，是已知的自然界中最高效的木質(zhì)纖維素降解體系之一。代謝物組學(xué)研究組長期致力于熱纖梭菌等纖維素降解菌及其纖維小體的遺傳改造、作用機制及代謝工程研究，利用研究組自主研發(fā)的遺傳操作硬件設(shè)備和軟件工具，對熱纖梭菌的生理生化、纖維小體的組裝、合成調(diào)控與產(chǎn)物抑制、產(chǎn)物攝取與代謝等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，對熱纖梭菌及其纖維小體的功能機制與調(diào)控取得了深入的認(rèn)識。在此基礎(chǔ)上，該研究組于2017年首先成功開發(fā)了基于纖維小體的全菌催化劑，實現(xiàn)木質(zhì)纖維素底物到可發(fā)酵糖的高效轉(zhuǎn)化[Zhang J, et al, 2017, 10(1):124]，初步建立了CBS工藝的雛形，但仍存在產(chǎn)物抑制未能充分解除、關(guān)鍵酶產(chǎn)量下降、糖化速度較慢等問題。
針對這些問題，該研究組通過對纖維小體的重新原位改造優(yōu)化，構(gòu)建了第二代全菌生物催化劑，并對培養(yǎng)基成分，接種量、種子培養(yǎng)，以及底物載量等影響過程效率的關(guān)鍵因素進(jìn)行了優(yōu)化，顯著提高了糖化效率，縮短了糖化時間。在最佳條件下，用預(yù)處理的小麥秸稈作為底物，整個糖化工藝時間縮短了50％，糖產(chǎn)量達(dá)到0.795克/克，糖得率為89.3％（圖1）。該工藝結(jié)合本實驗室開發(fā)的與之匹配的木質(zhì)纖維素預(yù)處理工藝，大大降低了木質(zhì)纖維素糖化的成本，已經(jīng)具備了工業(yè)化應(yīng)用的可能。
這項工作為CBS的實現(xiàn)提供了一種新的全菌生物催化劑和與之匹配的優(yōu)化工藝，證實CBS是一種可行的木質(zhì)纖維素低成本高效利用策略。代謝物組學(xué)研究組在2019年2月18日在線發(fā)表于Biotechnology for Biofuels的研究論文中報告了該工藝策略，并在國際上首次正式提出“整合生物糖化（CBS）”的概念。代謝物組學(xué)研究組目前正在將該CBS工藝進(jìn)行中試放大，建立基于該工藝的工業(yè)示范系統(tǒng)，有望極大地促進(jìn)木質(zhì)纖維素生物轉(zhuǎn)化的工業(yè)化進(jìn)程。
該研究組博士生劉世岳和劉亞君副研究員為該論文的共同一作，崔球研究員為該論文的通訊作者。該工作得到了中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項、國家自然科學(xué)基金委、山東省自然科學(xué)基金委的資助。（文/劉亞君 馮銀剛 圖/劉亞君）
圖1. 在優(yōu)化或常規(guī)條件下預(yù)處理麥稈的糖化分析。（a）100-mL厭氧瓶；（b）10-L厭氧發(fā)酵罐
原文鏈接：
https://biotechnologyforbiofuels.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13068-019-1374-2
Liu, S.1, Y.-J. Liu1, Y. Feng, B. Li and Q. Cui* (2019). "Construction of consolidated bio-saccharification biocatalyst and process optimization for highly efficient lignocellulose solubilization." Biotechnology for Biofuels 12(1): 35.
