青島能源所開發(fā)新型木質纖維素糖化高效全菌催化劑

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曉木蟲

青島能源所開發(fā)新型木質纖維素糖化高效全菌催化劑

摘要: 　　如何實現(xiàn)木質纖維素生物質這一低值原料的高值化利用，一直是國內(nèi)外的學習熱點。中國科學院青島生物能源與過程學習所代謝物組學團隊以打破國外技術壟斷、突破木質纖維素糖化技術瓶頸為學習目標，長期致力于熱纖梭 ...

　　如何實現(xiàn)木質纖維素生物質這一低值原料的高值化利用，一直是國內(nèi)外的學習熱點。中國科學院青島生物能源與過程學習所代謝物組學團隊以打破國外技術壟斷、突破木質纖維素糖化技術瓶頸為學習目標，長期致力于熱纖梭菌等纖維素降解菌的遺傳改造及代謝工程學習，利用團隊前期開發(fā)的一系列基因操作工具(J Microbiol Methods， 2012， 89: 201-8.; PloS One 2013， 8:e69032; Appl Microbiol Biotechnol， 2014， 98: 313-23; Biotechnol Biofuels， 2015， 8: 36.)，通過對熱纖梭菌及其纖維素降解酶系——纖維小體的定向改造，構建了新型的工程菌株，可以作為全菌催化劑實現(xiàn)木質纖維素底物到可發(fā)酵糖的高效轉化，有力促進了木質纖維素生物轉化的工業(yè)化進程。相關成果已于5月12日在線發(fā)表于Biotechnology for Biofuels [Zhang J， et al， 2017， 10(1):124]，其中，博士生張杰為該論文的第一作者，學習員崔球和副學習員劉亞君為該論文的通訊作者。
　　木質纖維素基生物質以其儲量及可再生性備受關注，但農(nóng)林廢棄物的不合理處置，會極大增加環(huán)境壓力，引起包括水體污染、焚燒霧霾等嚴重的環(huán)境污染問題。因此，非糧木質纖維素的高效利用是亟待解決的全球性問題，對實現(xiàn)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。然而，木質纖維素生物質的工業(yè)化、規(guī)模化和商業(yè)化應用仍未真正展開，其主要原因在于尚未突破木質纖維素高效、低成本轉化為可發(fā)酵糖的這一瓶頸步驟。
　　纖維小體是目前已知自然界中最高效的纖維素降解分子機器之一，作為典型的產(chǎn)纖維小體菌株，熱纖梭菌(Clostridium thermocellum)具有天然高效降解纖維素底物的特性，因此被認為是最有前景的可以通過整合生物加工技術的策略實現(xiàn)木質纖維素基高效生物催化轉化的菌株。然而，已有的野生菌株及其纖維小體存在底物水解活力受酶催化產(chǎn)物的反饋抑制等缺乏之處，不能適應工業(yè)化的要求。
　　針對這一學習現(xiàn)狀，代謝物組學團隊對熱纖梭菌及其纖維小體進行有針對的定向改造，通過建立無疤基因組編輯系統(tǒng)，將源于極端嗜熱菌的β-葡萄糖苷酶CaBglA與關鍵纖維小體酶Cel48S進行融合表達并組裝到胞外纖維小體上（圖1）。利用該重組菌株作為全菌催化劑進行糖化反應發(fā)現(xiàn)，以100 g/L微晶纖維素為底物時，其還原糖產(chǎn)量達489 mM（以葡萄糖分子量換算為約88 g/L）（圖2）。該菌高效降解纖維素及生產(chǎn)可發(fā)酵糖的能力初步證明了木質纖維素的全菌催化糖化策略在工業(yè)化應用中的可行性。該學習拓展了木質纖維素糖化的新視野，有力推動了工業(yè)發(fā)酵領域中纖維素糖作為碳源對淀粉糖的替代。