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(yīng)用瓶頸?7月9日，中國科學(xué)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(xué)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(yīng)用。該工作成果已于6月23日在線發(fā)表于《生物資源技術(shù)》(Bioresouce Technology)。該所代謝物組學(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。

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(shù)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(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。

該所代謝物組學(xué)研究組進一步圍繞CBS技術(shù)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(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(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(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)成本估算和進一步的技術(shù)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(yīng)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(yīng)用。(記者 王健高 通訊員 劉佳)

關(guān)鍵詞： 木質(zhì)纖維素 整合生物糖化 生物催化劑 熱纖梭菌