来源：Adv Sci (Weinh) | 编译：DNA Lab Space
木质素是自然界最丰富的可再生芳香族聚合物，长期被视为低价值废料。近年来，合成生物学的快速发展为木质素的高值化利用提供了全新思路。本文介绍的一项研究通过重构微生物芳香族代谢网络，将木质素解聚产物高效转化为多种高附加值芳香族化合物，实现了从“木质素废料”到“绿色生物制造”的范式跃迁，为可持续碳循环经济开辟了新路径。
研究背景
木质素约占木质纤维素生物质干重的15%～30%，是植物细胞壁中仅次于纤维素的第二大天然高分子，也是地球上唯一大规模可再生的芳香族碳资源。然而，由于其复杂的三维网络结构和高度异质性，木质素长期以来主要被当作燃料直接燃烧，热值低且产生污染。在生物精炼体系中，木质素通常作为制浆和生物乙醇生产的副产物被低值利用，严重制约了生物质全组分利用的经济性。传统化学催化法虽然可以将木质素解聚为苯酚、愈创木酚等芳香族单体，但反应条件苛刻、产物选择性差、催化剂易中毒，难以实现工业化。因此，亟需开发温和、高效且选择性强的木质素增值转化技术。
合成生物学通过设计、改造和重构生物体系，为木质素转化提供了全新方案。借助代谢工程和酶工程，研究者可以将木质素解聚产生的芳香族混合物作为碳源，导入微生物细胞工厂，经特定代谢途径合成香草醛、粘康酸、原儿茶酸等平台化合物，进而衍生为尼龙单体、食品香料和药物中间体。这一路线不仅避开了传统化学合成的高能耗问题，还能通过“一锅法”实现解聚与转化的耦合，大幅简化工艺。该论文正是围绕这一核心思路，系统展示了合成生物学如何赋能木质素向芳香族碳的高效生物制造。
研究方法
研究团队采用“自上而下”与“自下而上”相结合的设计策略，构建了一个完整的人工芳香族代谢平台。整体技术路线可概括为四个环节：木质素分级解聚、底物谱解析、代谢途径重构和发酵过程优化。
首先，研究人员对碱性预处理后的工业木质素进行可控热催化解聚，获得富含对香豆酸、阿魏酸、紫丁香酸和愈创木酚等单体的混合底物，并利用质谱和色谱技术对产物组成进行精确表征，明确各芳香族单体的比例与抑制性组分。
随后，团队以恶臭假单胞菌KT2440为底盘菌株，利用其天然存在的β-酮己二酸代谢途径作为核心骨架。在此基础上，通过基因组规模代谢模型预测并删除了竞争性分支，减少副产物积累。针对底物谱宽泛但转运效率低的问题，引入来自其他菌株的高效芳香酸转运蛋白，同时利用启动子工程和RBS优化对关键酶基因进行表达调控。为了解除底物对菌株的毒性抑制，还构建了基于群体感应的动态调控回路，使解毒基因在芳香族底物浓度升高时自动上调。
对于非天然产物合成路径，研究采用了模块化途径组装的方法。例如，将香草醛合成模块分为底物活化、侧链缩短和醛还原三个子模块，分别进行酶筛选与定向进化。利用易错PCR和液滴微流控高通量筛选，获得催化活性显著提高的突变体。最后，在5 L生物反应器中开展了分批补料发酵，通过调节pH、溶氧和碳源流加速率，验证了工程菌株的放大性能。
研究结果
研究获得了多项关键成果。首先，工程菌株的底物谱大幅拓宽，能够同时利用木质素解聚液中的至少七种主要芳香族单体，而对香豆酸、阿魏酸等混合底物的共利用效率较原始菌株提升了约8倍。通过解除碳代谢物阻遏效应，避免了传统培养中因优先利用葡萄糖而抑制木质素芳香族化合物代谢的问题。
其次，在核心粘康酸合成途径的改造中，研究人员将关键酶3-脱氢莽草酸脱水酶的表达量提高了5倍，并使碳流从莽草酸分支高效转向原儿茶酸途径。最终，在以木质素解聚液为唯一碳源的条件下，粘康酸产量达到12.5 g/L，碳得率为理论最大值的72%，为目前报道的最高水平之一。
此外，团队成功实现了多种高值芳香族产品的分支合成。通过节点动态调控，使香草醛产量达到6.8 g/L，而副产物香草醇浓度被控制在0.3 g/L以下。通过引入异源途径，还实现了对香豆酸向咖啡酸和绿原酸的转化，展示了该平台的模块化可扩展性。发酵实验表明，在补料分批模式下，粘康酸生产强度达0.42 g/L/h，连续运行120小时未出现显著活性下降。
特别值得关注的是，研究团队在合成生物学框架下实现了“解聚—转化—产物提取”的一体化集成。他们将木质素解聚反应液直接作为发酵培养基，省去了分离纯化步骤，避免了传统工艺中高能耗的溶剂萃取过程。生命周期评价初步显示，相比石油基路线，该生物制造流程可减少约60%的温室气体排放，能耗降低35%，证明了其在环境和经济两方面的双重优势。
讨论与展望
该研究为木质素高值化利用提供了一种可复制、可扩展的合成生物学范式，但距离真正的工业化应用仍面临若干挑战。一是木质素解聚产物的组成随原料来源和处理方式波动很大，对发酵过程的稳定性构成较大影响，未来需要开发适应性进化或鲁棒性底盘菌株。二是部分芳香族产物对微生物具有显著毒性，现有动态调控策略在超高水平下仍有局限，界面工程与两相发酵或许能进一步缓解产品抑制。三是木质素生物转化整体经济性仍依赖于产物价格，若目标产品集中于低附加值的粘康酸或香草醛，市场空间有限；因此，向更复杂的医药中间体或特种聚合物单体延伸，将有助于提高利润空间。
随着计算辅助酶设计、自动化基因编辑和高通量筛选技术的成熟，木质素的“按需定制”式生物制造有望从理想变为现实。该论文所展示的系统性思维，为“碳中和”背景下的可再生碳资源利用提供了重要参考。未来，进一步整合木质素分级策略与多菌株共培养体系，构建更为复杂的木质素全组分利用生态，将成为这一领域的发展方向。
参考来源
期刊：Advanced Science (Weinheim)
DOI：未提供（原文未标注）