木質(zhì)纖維素具有儲量大、可再生的特點(diǎn)，發(fā)展木質(zhì)纖維素的高效轉(zhuǎn)化技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)低值農(nóng)業(yè)廢棄生物質(zhì)的高效利用，而且有望從根本上提出全新的能源與產(chǎn)糧出口，甚至相當(dāng)于我國糧食產(chǎn)量翻倍，打造非糧生物質(zhì)第二農(nóng)業(yè)。木質(zhì)纖維素的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和組成形成了天然拮抗降解作用的屏障。因此，如何實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維素高效、低成本的酶解糖化成為秸稈產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的主要瓶頸問題之一。
青島能源所代謝物組學(xué)研究組在針對熱纖梭菌以及纖維小體開展長期研究的基礎(chǔ)上，建立了全新的木質(zhì)纖維素整合生物糖化（CBS）策略。CBS采用基于纖維小體的新型生物催化劑，并以可發(fā)酵糖作為出口偶聯(lián)下游應(yīng)用，具有顯著的靈活性和成本優(yōu)勢。代謝物組學(xué)研究組進(jìn)一步圍繞CBS技術(shù)特點(diǎn)開發(fā)了上下游工藝，從而形成了從原料到高值產(chǎn)品的全鏈條工藝，這也是我國科學(xué)家在國際上首次提出的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的秸稈高值化轉(zhuǎn)化成套技術(shù)路線（Biotechnol Adv, 2020. 40, 107535）。
由于纖維素的水解物纖維二糖對纖維小體體系產(chǎn)生嚴(yán)重的反饋抑制，CBS生物催化劑中 -葡萄糖苷酶（BGL）的表達(dá)不可缺少，因此，代謝物組學(xué)研究組已通過向熱纖梭菌中引入外源BGL，構(gòu)建了兩代CBS生物催化劑，實(shí)現(xiàn)纖維素到葡萄糖的高效轉(zhuǎn)化（Biotechnol Biofuels, 2017. 10, 124；Biotechnol Biofuels, 2019. 12, 35）。然而，在熱纖梭菌中實(shí)現(xiàn)異源蛋白的高水平表達(dá)仍具有較大的挑戰(zhàn)性。另一方面，滿足CBS要求的BGL最優(yōu)表達(dá)水平及其與纖維小體的匹配規(guī)律也尚不清楚。
為了解決上述問題，研究人員開發(fā)了基于質(zhì)粒骨架的高效異源表達(dá)方法，實(shí)現(xiàn)了BGL在熱纖梭菌中的高水平表達(dá)和外泌，進(jìn)而獲得了第三代CBS生物催化劑，進(jìn)而明確了胞外BGL與纖維小體活性的最佳比值應(yīng)在5.5到21.6的范圍內(nèi)。不僅如此，研究人員還發(fā)現(xiàn)，盡管BGL對于提高CBS糖化效率具有至關(guān)重要的作用，過量的BGL表達(dá)及其通過I型cohesin-dockerin相互作用在纖維小體上的組裝均會導(dǎo)致纖維小體活性的降低，這不僅證實(shí)了BGL與纖維小體協(xié)同活性的重要性，更將有效的指導(dǎo)下一步CBS生物催化劑的優(yōu)化和改良。
目前，基于構(gòu)建的第三代CBS生物催化劑，代謝物組學(xué)研究組通過與企業(yè)的合作已經(jīng)建成百噸級秸稈糖化中試示范，將進(jìn)一步解決中試放大過程中的技術(shù)問題，開展CBS過程的生產(chǎn)成本估算和進(jìn)一步的技術(shù)優(yōu)化。通過研究人員的不懈努力，CBS工藝最終有望以具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用性和可持續(xù)性的方式將木質(zhì)纖維素生物轉(zhuǎn)化帶入實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用中，從而極大地促進(jìn)木質(zhì)纖維素生物質(zhì)資源的大規(guī)模應(yīng)用。
該工作已于6月23日在線發(fā)表于Bioresouce Technology。代謝物組學(xué)研究組博士生祁寬為論文第一作者，劉亞君研究員為該論文通訊作者。該工作得到了中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金委、青島市重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目的資助。（文/圖 劉亞君）
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852421007811
