新型的工程菌株作为全菌催化剂促进了木质纤维素生物转化的工业化进程
2019-12-25
如何实现木质纤维素生物质这一低值原料的高值化利用，一直是国内外的研究热点。
中国科学院青岛生物能源与过程研究所代谢物组学团队以打破国外技术垄断、突破木质纤维素糖化技术瓶颈为研究目标，长期致力于热纤梭菌等纤维素降解菌的遗传改造及代谢工程研究，利用团队前期开发的一系列基因操作工具(J Microbiol Methods,2012,89:201-8.;PloS One2013,8:e69032;Appl Microbiol Biotechnol,2014,98:313-23;Biotechnol Biofuels,2015,8:36.)，通过对热纤梭菌及其纤维素降解酶系——纤维小体的定向改造，构建了新型的工程菌株，可以作为全菌催化剂实现木质纤维素底物到可发酵糖的高效转化，有力促进了木质纤维素生物转化的工业化进程。
相关成果已于5月12日在线发表于Biotechnology for Biofuels[Zhang J,etal,2017,10(1):124]，其中，博士生张杰为该论文的第一作者，研究员崔球和副研究员刘亚君为该论文的通讯作者。
木质纤维素基生物质以其储量及可再生性备受关注，但农林废弃物的不合理处置，会极大增加环境压力，引起包括水体污染、焚烧雾霾等严重的环境污染问题。因此，非粮木质纤维素的高效利用是亟待解决的全球性问题，对实现经济的可持续发展具有重要的战略意义。然而，木质纤维素生物质的工业化、规模化和商业化应用仍未真正展开，其主要原因在于尚未突破木质纤维素高效、低成本转化为可发酵糖的这一瓶颈步骤。
纤维小体是目前已知自然界中最高效的纤维素降解分子机器之一，作为典型的产纤维小体菌株，热纤梭菌(Clostridium thermocellum)具有天然高效降解纤维素底物的特性，因此被认为是最有前景的可以通过整合生物加工技术的策略实现木质纤维素基高效生物催化转化的菌株。然而，已有的野生菌株及其纤维小体存在底物水解活力受酶催化产物的反馈抑制等不足之处，不能适应工业化的要求。
针对这一研究现状，代谢物组学团队对热纤梭菌及其纤维小体进行有针对的定向改造，通过建立无疤基因组编辑系统，将源于极端嗜热菌的β-葡萄糖苷酶CaBglA与关键纤维小体酶Cel48S进行融合表达并组装到胞外纤维小体上。
利用该重组菌株作为全菌催化剂进行糖化反应发现，以100 g/L微晶纤维素为底物时，其还原糖产量达489 mM（以葡萄糖分子量换算为约88 g/L）。
该菌高效降解纤维素及生产可发酵糖的能力初步证明了木质纤维素的全菌催化糖化策略在工业化应用中的可行性。该研究拓展了木质纤维素糖化的新视野，有力推动了工业发酵领域中纤维素糖作为碳源对淀粉糖的替代。
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