木質纖維素生物質是地球上最豐富、最廉價的可再生資源，據估算，年總產量高達百億噸。木質纖維素原料富含纖維素和半纖維素糖類組分，是制取生物燃料及生物基化學品最重要的資源，對于推動世界低碳經濟、維持我國能源安全具有重要的戰略意義。木質纖維素的主要降解單糖成分為葡萄糖和木糖。其中木糖約占木質纖維素糖類成分的18％-30％，是自然界的第二大糖類物質，木糖的充分利用和轉化約占木質纖維資源生物煉制體系總生產成本的25% ，因此木糖的高效利用成為影響其工業化生產體系經濟效益的關鍵因素之一。 與葡萄糖發酵產品的多樣性及高生產水平不同，受到菌株及酶的生產性能所限，目前木糖能夠轉化的產品種類很少，轉化效率較低，是限制木糖廣泛利用的重要瓶頸。青島能源所趙廣研究員帶領的含能材料生物合成研究組近期成功在大腸桿菌內利用木糖為碳源，實現了高附加值生物基化學品乙醇酸和乙二醇的生物合成，其產量、轉化率和生產效率等指標均處于國際領先水平。
大腸桿菌因其培養成本低、生長速度快、遺傳操作簡單，并且自身含有木糖的轉運和代謝途徑等優勢，成為木糖綜合利用的優選宿主菌之一。然而，大腸桿菌的木糖代謝路徑較長，且需要消耗大量能量，成為制約木糖轉化效率的重要因素。與此相比，新月丙桿菌的木糖代謝路徑較短，并且含有多步產能過程。因此，研究人員將新月丙桿菌的木糖代謝途徑引入大腸桿菌，從而建立了乙醇酸和乙二醇的全新生物合成途徑。經過系統的代謝改造、關鍵酶調控及發酵條件優化等措施，乙醇酸和乙二醇的產量、轉化率、生產效率等指標均處于國際領先水平。在發酵罐放大水平，乙醇酸的產量43.6g/L，木糖轉化率46.4%，生產效率達到0.91g/L/h。乙二醇的產量72g/L，木糖轉化率40%，生產速率達到1.38g/L/h，其中產量和生產速率的指標達到現有水平的2倍之多，木糖轉化率接近理論數值。
在前期研究中，生物基材料組群還實現了木糖到木糖酸和1,2,4-丁三醇的高效生物轉化，系統建立了利用木糖為底物轉化合成高附加值產品的生物合成技術，豐富了木糖轉化產品的種類，提高了木糖利用效率，應用潛力巨大，為木糖生物煉制技術的產業化應用奠定基礎。最新成果在Microbial Cell Factories期刊發表，相關系列研究獲得了國家自然科學基金、中國科學院重點項目、中國博士后面上基金等的資助。（文/圖 劉敏 趙廣）
相關成果發表：
1.Min Liu, Yamei Ding, Mo Xian, Guang Zhao. Metabolic engineering of a xylose pathway for biotechnological production of glycolate in Escherichia coli. Microbial Cell Factories. 2018, 17:51-62.
https://link.springer.com/article/10.1186/s12934-018-0900-4
2.Yujin Cao, Wei Niu, Jiantao Guo, Mo Xian, Huizhou Liu. Biotechnological production of 1,2,4-butanetriol: An efficient process to synthesize energetic material precursor from renewable biomass. Scientific Reports. 2015, 5:18149-18158.
https://www.nature.com/articles/srep18149.pdf
3.Yujin Cao, Mo Xian, Huibin Zou, Haibo Zhang. Metabolic engineering of Escherichia coli for the production of xylonate. PLoS One. 2013, 8:e67305.
http://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0067305
圖1 木糖綜合利用合成高附加值產品的代謝路徑圖
