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圖1. 熱纖梭菌重組菌株DSM1313::CaBglA的構(gòu)建及驗(yàn)證
圖2. 糖化過程中，熱纖梭菌重組菌株DSM1313::CaBglA還原糖生產(chǎn)水平（實(shí)線）及pH變化（虛線）分析
如何實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維素生物質(zhì)這一低值原料的高值化利用，一直是國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所代謝物組學(xué)團(tuán)隊(duì)以打破國外技術(shù)壟斷、突破木質(zhì)纖維素糖化技術(shù)瓶頸為研究目標(biāo)，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研究，利用團(tuán)隊(duì)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(duì)熱纖梭菌及其纖維素降解酶系——纖維小體的定向改造，構(gòu)建了新型的工程菌株，可以作為全菌催化劑實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維素底物到可發(fā)酵糖的高效轉(zhuǎn)化，有力促進(jìn)了木質(zhì)纖維素生物轉(zhuǎn)化的工業(yè)化進(jìn)程。相關(guān)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，研究員崔球和副研究員劉亞君為該論文的通訊作者。
木質(zhì)纖維素基生物質(zhì)以其儲(chǔ)量及可再生性備受關(guān)注，但農(nóng)林廢棄物的不合理處置，會(huì)極大增加環(huán)境壓力，引起包括水體污染、焚燒霧霾等嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。因此，非糧木質(zhì)纖維素的高效利用是亟待解決的全球性問題，對(duì)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。然而，木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的工業(yè)化、規(guī)模化和商業(yè)化應(yīng)用仍未真正展開，其主要原因在于尚未突破木質(zhì)纖維素高效、低成本轉(zhuǎn)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(jī)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(rèn)為是最有前景的可以通過整合生物加工技術(shù)的策略實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維素基高效生物催化轉(zhuǎn)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)物的反饋抑制等不足之處，不能適應(yīng)工業(yè)化的要求。
針對(duì)這一研究現(xiàn)狀，代謝物組學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)熱纖梭菌及其纖維小體進(jìn)行有針對(duì)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(guān)鍵纖維小體酶Cel48S進(jìn)行融合表達(dá)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(jìn)行糖化反應(yīng)發(fā)現(xiàn)，以100 g/L微晶纖維素為底物時(shí)，其還原糖產(chǎn)量達(dá)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(zhì)纖維素的全菌催化糖化策略在工業(yè)化應(yīng)用中的可行性。該研究拓展了木質(zhì)纖維素糖化的新視野，有力推動(dòng)了工業(yè)發(fā)酵領(lǐng)域中纖維素糖作為碳源對(duì)淀粉糖的替代。 |
