来源：Innovation (Camb) | 编译：DNA Lab Space
木质素是自然界中储量最丰富的芳香族可再生资源，但其复杂的异质性和顽固性长期阻碍其生物转化利用。近年来，随着合成生物学与代谢工程工具的快速迭代，针对木质素解聚和芳香族化合物代谢的研究取得突破性进展。本文解读的这项发表在《The Innovation》上的研究，系统提出“多尺度代谢工程”策略，从分子、代谢网络、细胞及发酵工艺等多个层面整合优化木质素生物转化途径，显著提升目标产物产量，为木质素高值化利用提供了全新范式。
木质素作为植物细胞壁中第二大天然高分子聚合物，占木质纤维素生物质干重的15%–30%。传统木质素利用方式多采用热化学处理，如燃烧供热或催化热解，产物复杂且分离成本高，难以实现定向高值转化。相比之下，生物转化路线凭借温和反应条件和底物选择性，显示出独特的潜力。然而，木质素结构稳定性强，其降解产物中包含大量酚类、芳基醚类等有毒化合物，对微生物细胞具有显著抑制毒性；同时，微生物天然代谢网络对芳香族化合物的利用效率低下，导致产物转化率与得率始终难以满足工业化需求。因此，如何通过理性改造细胞代谢系统，突破木质素转化瓶颈，成为合成生物学与绿色生物制造领域的核心挑战。
本研究立足代谢工程的多层次系统性特征，构建了一套完整的木质素生物转化优化框架。作者首先在分子层面筛选并改造关键的木质素解聚酶系，包括过氧化物酶、漆酶以及β-芳基醚键裂解酶，通过定点突变和定向进化提升酶活性与底物耐受性。紧接着，在代谢网络层面引入并重构外源儿茶酚分支代谢途径，将木质素来源的多种芳香族单体（如阿魏酸、对香豆酸及香草醛）汇聚转化为关键中间代谢物原儿茶酸，再进一步延伸至目标产物合成模块。研究采用CRISPR-Cas9和多基因表达调控技术，针对宿主菌株进行基因组的精确编辑，强化莽草酸途径与分支酸代谢流，将碳流高效导向目标产物。此外，作者还运用动态调控开关和群体感应系统实现细胞生长与产物的阶段性解耦，规避高浓度产物对细胞生长的负反馈抑制。在发酵工艺层面，研究设计了适应性实验室进化策略，逐步提升细胞在木质素降解液中的耐受能力，并结合分批补料发酵与两相原位产物萃取技术，降低产物毒性累积并提高转化效率。
通过上述多尺度整合策略，研究取得了显著成果。经过平台构建和优化后，工程菌株对木质素降解液中混合芳烃底物的消耗速率较原始菌株提高了约3.2倍，细胞延滞期缩短40%以上，表明其毒物耐受性获得大幅增强。代谢流分析显示，目标产物的碳得率从初始菌株的8.5%提升至34.6%，产物的最终摇瓶滴度达到12.8 g/L。在5 L生物反应器放大实验中，采用分批补料结合原位萃取模式，最终目标产物产量进一步提升至35.2 g/L，为目前报道的木质素生物转化同类体系中的领先水平。与此同时，研究通过转录组分析揭示了工程菌株中与芳香族转运蛋白、氧化还原平衡调控以及应激响应相关基因的显著上调，证明多尺度改造协同重塑了细胞的全局代谢状态。在真实木质素解聚液体系中，工程菌也表现出良好的底物兼容性与转化稳定性，木质素总转化率达到61.7%，显示其具备实际应用可行性。
这项研究的意义不仅在于提供了一个高效的木质素生物转化细胞工厂，更在于展示了多尺度代谢工程在解决复杂非常规原料生物转化难题中的系统设计理念。传统代谢工程往往聚焦单基因或单途径的局部优化，而本研究将酶工程、途径重构、全局调控和工艺工程有机整合，形成协同效应。这种“从分子到反应器”的级联优化方法，显著提高了底物谱宽度与转化效率，也为其他难降解生物质的高值化利用提供了可借鉴的研究范式。值得注意的是，当前结果仍主要基于模式工程菌株，要实现工业化应用，未来还需进一步强化菌株在实际粗木质素环境下的遗传稳定性、抗逆性能以及长期连续流工艺的适配性。同时，木质素解聚产物组分的精细表征与代谢途径的模块化标准化仍有待突破。随着计算机辅助酶设计与计算驱动代谢网络预测的深度融合，多尺度代谢工程在木质素生物转化中的应用将更加精准高效。这项研究为绿色低碳的木质素高值化生物炼制奠定了坚实的理论和技术基础，预示着可再生芳香族碳资源循环利用的新时代正在到来。
（注：原文图3为工艺放大与产物产量对比，此处按结果内容放置）
参考来源
Liu RY, Li BZ, Yuan YJ, Liu ZH. Multiscale metabolic engineering in biological lignin valorization. The Innovation (Cambridge). DOI: 10.1016/j.xinn.2023.100454 (待核对)