来源：Adv Sci (Weinh) | 编译：DNA Lab Space
木质素作为自然界中最丰富的可再生芳香族聚合物，其低值化利用长期制约生物炼制经济性。近年来，合成生物学的快速发展为木质素向高附加值芳香族化合物转化提供了全新路径。一篇发表于《Advanced Science》的前瞻性研究系统整合了木质素解聚、微生物底盘改造与代谢网络重构策略，提出了“可持续芳香碳生物制造”的全新概念框架，为木质素资源高值化利用描绘了清晰的技术蓝图。
研究背景
木质素约占植物细胞壁干重的15%-30%，是仅次于纤维素的第二大天然有机碳储库。然而，由于木质素具有高度异质性和化学惰性，工业化利用长期以燃烧供热为主，其潜在芳香环结构单元的价值被严重低估。在传统生物炼制体系中，木质素通常作为废弃物或低热值燃料处理，不仅浪费碳资源，还给环境带来额外负担。随着“双碳”目标推进，将木质素转化为高价值芳香族化学品已成为全球合成生物学和绿色制造领域的研究热点。
但木质素的生物转化面临三重挑战：一是木质素天然结构复杂，解聚产物为包含多种单酚、二聚体及低聚物的混合物；二是许多解聚产物（如香草醛、对香豆酸等）对微生物具有毒性；三是微生物天然代谢途径有限，难以高效地将异质性底物定向转化为目标产物。为此，研究者提出借助合成生物学“重设计”现有生物系统，将木质素视为可编程的芳香碳原料，从而打通从天然聚合物到高价值精细化学品的生物合成通道。
研究方法
该文采用前沿综述与系统分析相结合的方法，构建了木质素增值生物制造的技术路线图。作者首先从木质素解聚的生产性、选择性和经济性出发，梳理了物理法、化学法和生物酶法的进展与局限，重点强调了生物法在温和条件下实现选择性断键的优势。随后，论文聚焦于合成生物学核心工具在木质素转化中的应用，提出了一套“设计-构建-测试-学习”的循环优化策略。
在“设计”层面，研究者基于基因组数据库和酶功能预测平台，挖掘了来自细菌、真菌和放线菌的木质素降解酶元件，包括漆酶、过氧化物酶和β-醚酶等，并对关键酶进行了底物口袋工程和定向进化改造。在“构建”层面，研究以模式微生物（如恶臭假单胞菌、红球菌、酿酒酵母）为底盘，引入异源解聚产物转运蛋白及分解代谢基因簇，重建了芳香族化合物的β-酮己二酸途径，将混合酚类底物统一转化为原儿茶酸等中枢中间代谢物。
在“测试”阶段，作者采用高通量微流控分选与生物传感器偶联策略，实现了对高产菌株的快速筛选。在“学习”阶段，通过基因组规模代谢模型和转录组分析，识别了限制产物合成的关键节点，并采用CRISPR-Cas9介导的多基因精细调控，动态平衡了细胞生长与产物合成之间的关系。此外，文章还探讨了共培养体系设计，即将解聚酶分泌菌株与产物合成菌株分工协作，实现“一步式”从木质素原料到目标化学品的转化，避免中间产物分离带来的成本损耗。
研究结果
该研究提出并论证了合成生物学驱动木质素增值的完整技术体系，核心结果包含三个层面。第一，建立了解聚-转运-代谢的模块化集成平台。作者将木质素解聚、芳香族单体跨膜转运、β-酮己二酸途径以及下游衍生物合成等过程拆分为标准化生物部件，并利用遗传逻辑电路实现模块间的动态协调，使香草醛、4-羟基苯甲酸等混合底物得以被同步代谢，底物利用率较传统单菌株体系提高数倍以上。
第二，通过工程化改造微生物的氧化应激耐受性与产物外排系统，显著缓解了芳香族化合物对细胞膜和蛋白合成的抑制作用。研究发现，过表达ATP结合盒转运蛋白以及调控全局调控因子（如CatR、PcaR）可大幅提升宿主对酚类毒物的耐受能力，使最终产物滴度和转化率获得了数量级提升。在模式底盘恶臭假单胞菌中，改造后的菌株可将木质素解聚液中的主要单体（对香豆酸、阿魏酸、香草醛）转化为黏康酸和α-酮己二酸等平台化学品，产量达到工业化初步要求。
第三，论文进一步探索了产品多元化路径。利用合成生物学“酶促级联+全细胞催化”耦合策略，研究者成功将木质素衍生的芳香单体转化为己二酸、对苯二甲酸、没食子酸、白藜芦醇等十余种大宗或高附加值芳香化合物。尤其值得关注的是，研究通过引入异源苯丙烷代谢途径，将木质素解聚产物直接接入植物类黄酮和均二苯乙烯类化合物生物合成网络，实现了从木质素到复杂天然产物的直接碳链延伸，突破了传统化学合成路线步骤长、产率低、污染重的瓶颈。
此外，论文强调技术经济性评估的重要性。作者以玉米秸秆木质素为典型原料，对生物制造路线进行全生命周期分析，结果表明该合成生物学路线较传统化学催化路线在碳减排和能源消耗方面具有明显优势，但预处理成本和产物分离纯化仍是限制工业放大的主要因素。
讨论与展望
该研究重新定义了木质素的角色——从“废弃物”转变为可持续芳香碳生物制造的基石。合成生物学使木质素解聚产物能够超越单一化学品的局限，进入一个高度可塑的芳环代谢网络。然而，木质素原料的批次间异质性、复杂酚类混合物的协同毒性，以及长周期发酵中的基因回路稳定性，依然是实际放大过程中不可回避的难题。未来，需要进一步开发人工共存菌群或空间隔离策略，降低代谢负担；同时利用机器学习辅助的蛋白质工程与途径优化，加速从实验室驯化到工业化放大的进程。此外，与绿氢耦合的电催化解聚技术如果能与生物合成模块无缝对接，有望形成“化学-生物”杂合的更高效集成平台，真正实现木质素芳环碳的100%固定与定向转化。
尽管距离规模化应用尚有距离，但该研究为木质素资源开辟了一条兼具科学价值与经济潜力的新通路。可以预见，随着合成生物学工具库的不断丰富和系统生物学方法的深度渗透，木质素将不再只是枯枝落叶中的碳骨架，而将成为支撑芳香族绿色化工产业的战略性碳源。
参考来源
Li N, Zhangyang JJ, Li BZ, Liu ZH, Yuan YJ. Reimagining Lignin Valorization: Synthetic Biology-Enabled Sustainable Aromatic Carbon Biomanufacturing. Advanced Science (Weinheim). DOI: 未在原文信息中提供（可查阅期刊官网获取）。