如何破解木質纖維素高效、低成本的酶解糖化成為秸稈產業化應用瓶頸?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的新型木質纖維素整合生物糖化生物催化劑,極大地促進木質纖維素生物質資源的大規模應用。該工作成果已于6月23日在線發表于《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。

中科院開發新型木質纖維素整合生物糖化生物催化劑

劉亞君? 供圖


木質纖維素具有儲量大、可再生的特點,發展木質纖維素的高效轉化技術不僅可以實現低值農業廢棄生物質的高效利用,而且有望從根本上提出全新的能源與產糧出口,甚至相當于我國糧食產量翻倍,打造非糧生物質第二農業。木質纖維素的復雜結構和組成形成了天然拮抗降解作用的屏障。因此,如何實現木質纖維素高效、低成本的酶解糖化成為秸稈產業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,并以可發酵糖作為出口偶聯下游應用,具有顯著的靈活性和成本優勢。


該所代謝物組學研究組進一步圍繞CBS技術特點開發了上下游工藝,從而形成了從原料到高值產品的全鏈條工藝,這也是我國科學家在國際上首次提出的具有自主知識產權的秸稈高值化轉化成套技術路線(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,構建了兩代CBS生物催化劑,實現纖維素到葡萄糖的高效轉化(Biotechnol Biofuels, 2017. 10, 124;Biotechnol Biofuels, 2019. 12, 35)。然而,在熱纖梭菌中實現異源蛋白的高水平表達仍具有較大的挑戰性。另一方面,滿足CBS要求的BGL最優表達水平及其與纖維小體的匹配規律也尚不清楚。

中科院開發新型木質纖維素整合生物糖化生物催化劑

為了解決上述問題,青島能源所研究人員開發了基于質粒骨架的高效異源表達方法,實現了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。不僅如此,研究人員還發現,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生物催化劑的優化和改良。


目前,基于構建的第三代CBS生物催化劑,代謝物組學研究組通過與企業的合作已經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過程的生產成本估算和進一步的技術優化。


通過該所研究人員的不懈努力,CBS工藝最終有望以具有經濟實用性和可持續性的方式將木質纖維素生物轉化帶入實際的工業應用中,從而極大地促進木質纖維素生物質資源的大規模應用。


文章來源: 科技日報

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