如何實現木質纖維素生物質這一低值原料的高值化利用，一直是國內外的研究熱點。中國科學院青島生物能源與過程研究所代謝物組學團隊以打破國外技術壟斷、突破木質纖維素糖化技術瓶頸為研究目標，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，利用團隊前期開發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.)，通過對熱纖梭菌及其纖維素降解酶系——纖維小體的定向改造，構建了新型的工程菌株，可以作為全菌催化劑實現木質纖維素底物到可發酵糖的高效轉化，有力促進了木質纖維素生物轉化的工業化進程。相關成果已于5月12日在線發表于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。
木質纖維素基生物質以其儲量及可再生性備受關注，但農林廢棄物的不合理處置，會極大增加環境壓力，引起包括水體污染、焚燒霧霾等嚴重的環境污染問題。因此，非糧木質纖維素的高效利用是亟待解決的全球性問題，對實現經濟的可持續發展具有重要的戰略意義。然而，木質纖維素生物質的工業化、規模化和商業化應用仍未真正展開，其主要原因在于尚未突破木質纖維素高效、低成本轉化為可發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器之一，作為典型的產纖維小體菌株，熱纖梭菌(Clostridium thermocellum)具有天然高效降解纖維素底物的特性，因此被認為是最有前景的可以通過整合生物加工技術的策略實現木質纖維素基高效生物催化轉化的菌株。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物的反饋抑制等不足之處，不能適應工業化的要求。
針對這一研究現狀，代謝物組學團隊對熱纖梭菌及其纖維小體進行有針對的定向改造，通過建立無疤基因組編輯系統，將源于極端嗜熱菌的β-葡萄糖苷酶CaBglA與關鍵纖維小體酶Cel48S進行融合表達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行糖化反應發現，以100 g/L微晶纖維素為底物時，其還原糖產量達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可發酵糖的能力初步證明了木質纖維素的全菌催化糖化策略在工業化應用中的可行性。該研究拓展了木質纖維素糖化的新視野，有力推動了工業發酵領域中纖維素糖作為碳源對淀粉糖的替代。
圖1. 熱纖梭菌重組菌株DSM1313::CaBglA的構建及驗證
圖2. 糖化過程中，熱纖梭菌重組菌株DSM1313::CaBglA還原糖生產水平（實線）及pH變化（虛線）分析