成功研制新型木質纖維素整合生物糖化生物催化劑

　　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。

能源所開發新型木質纖維素整合生物糖化生物催化劑。 課題組供圖

　　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”之一。

　　近日，中科院青島生物能源與過程研究所代謝物組學研究組成功開發新型木質纖維素整合生物糖化（CBS）生物催化劑，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。該工作已近日在線發表于《生物資源技術》。

　　記者了解到，此前，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。

　　此外，代謝物組學研究組進一步圍繞CBS技術特點開發出了上下游工藝，從而形成了從原料到高值產品的全鏈條工藝。

　　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，此前，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，實現了纖維素到葡萄糖的高效轉化。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。

　　為了解決這些問題，該組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，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。

　　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。

　　該工作得到了中科院戰略性先導專項、國家自然科學基金委、青島市重點研發項目的資助。