如何破解木質(zhì)纖維素高效、低成本的酶解糖化成為秸稈產(chǎn)業(yè)化應用瓶頸?7月9日，中國科學院青島生物能源與過程研究所(以下簡稱“青島能源所”)傳來喜訊：該所代謝物組學研究組自主開發(fā)的新型木質(zhì)纖維素整合生物糖化生物催化劑，極大地促進木質(zhì)纖維素生物質(zhì)資源的大規(guī)模應用。該工作成果已于6月23日在線發(fā)表于《生物資源技術》(Bioresouce Technology)。該所代謝物組學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。

木質(zhì)纖維素具有儲量大、可再生的特點，發(fā)展木質(zhì)纖維素的高效轉(zhuǎn)化技術不僅可以實現(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)化應用的主要瓶頸問題之一。

青島能源所代謝物組學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)下游應用，具有顯著的靈活性和成本優(yōu)勢。

該所代謝物組學研究組進一步圍繞CBS技術特點開發(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，這也是我國科學家在國際上首次提出的具有自主知識產(chǎn)權的秸稈高值化轉(zhuǎn)化成套技術路線(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)生嚴重的反饋抑制，CBS生物催化劑中β-葡萄糖苷酶(BGL)的表達不可缺少，因此，代謝物組學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，在熱纖梭菌中實現(xiàn)異源蛋白的高水平表達仍具有較大的挑戰(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，青島能源所研究人員開發(fā)了基于質(zhì)粒骨架的高效異源表達方法，實現(xiàn)了BGL在熱纖梭菌中的高水平表達和外泌，進而獲得了第三代CBS生物催化劑，進而明確了胞外BGL與纖維小體活性的最佳比值應在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糖化效率具有至關重要的作用，過量的BGL表達及其通過I型cohesin-dockerin相互作用在纖維小體上的組裝均會導致纖維小體活性的降低，這不僅證實了BGL與纖維小體協(xié)同活性的重要性，更將有效的指導下一步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，將進一步解決中試放大過程中的技術問題，開展CBS過程的生產(chǎn)成本估算和進一步的技術優(yōu)化。

通過該所研究人員的不懈努力，CBS工藝最終有望以具有經(jīng)濟實用性和可持續(xù)性的方式將木質(zhì)纖維素生物轉(zhuǎn)化帶入實際的工業(yè)應用中，從而極大地促進木質(zhì)纖維素生物質(zhì)資源的大規(guī)模應用。(記者 王健高 通訊員 劉佳)

關鍵詞： 木質(zhì)纖維素 整合生物糖化 生物催化劑 熱纖梭菌