木质纤维素生物质是地球上最丰富、最廉价的可再生资源，据估算，年总产量高达百亿吨。木质纤维素原料富含纤维素和半纤维素糖类组分，是制取生物燃料及生物基化学品最重要的资源，对于推动世界低碳经济、维持我国能源安全具有重要的战略意义。木质纤维素的主要降解单糖成分为葡萄糖和木糖。其中木糖约占木质纤维素糖类成分的18％-30％，是自然界的第二大糖类物质，木糖的充分利用和转化约占木质纤维资源生物炼制体系总生产成本的25% ，因此木糖的高效利用成为影响其工业化生产体系经济效益的关键因素之一。 与葡萄糖发酵产品的多样性及高生产水平不同，受到菌株及酶的生产性能所限，目前木糖能够转化的产品种类很少，转化效率较低，是限制木糖广泛利用的重要瓶颈。青岛能源所赵广研究员带领的含能材料生物合成研究组近期成功在大肠杆菌内利用木糖为碳源，实现了高附加值生物基化学品乙醇酸和乙二醇的生物合成，其产量、转化率和生产效率等指标均处于国际领先水平。
大肠杆菌因其培养成本低、生长速度快、遗传操作简单，并且自身含有木糖的转运和代谢途径等优势，成为木糖综合利用的优选宿主菌之一。然而，大肠杆菌的木糖代谢路径较长，且需要消耗大量能量，成为制约木糖转化效率的重要因素。与此相比，新月丙杆菌的木糖代谢路径较短，并且含有多步产能过程。因此，研究人员将新月丙杆菌的木糖代谢途径引入大肠杆菌，从而建立了乙醇酸和乙二醇的全新生物合成途径。经过系统的代谢改造、关键酶调控及发酵条件优化等措施，乙醇酸和乙二醇的产量、转化率、生产效率等指标均处于国际领先水平。在发酵罐放大水平，乙醇酸的产量43.6g/L，木糖转化率46.4%，生产效率达到0.91g/L/h。乙二醇的产量72g/L，木糖转化率40%，生产速率达到1.38g/L/h，其中产量和生产速率的指标达到现有水平的2倍之多，木糖转化率接近理论数值。
在前期研究中，生物基材料组群还实现了木糖到木糖酸和1,2,4-丁三醇的高效生物转化，系统建立了利用木糖为底物转化合成高附加值产品的生物合成技术，丰富了木糖转化产品的种类，提高了木糖利用效率，应用潜力巨大，为木糖生物炼制技术的产业化应用奠定基础。最新成果在Microbial Cell Factories期刊发表，相关系列研究获得了国家自然科学基金、中国科学院重点项目、中国博士后面上基金等的资助。（文/图 刘敏 赵广）
相关成果发表：
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
图1 木糖综合利用合成高附加值产品的代谢路径图
