来源：Adv Sci (Weinh) | 编译：DNA Lab Space
全球对芳香族化学品的需求持续攀升，而传统石油路线带来了严峻的环境压力。木质素作为自然界中储量最丰富的可再生芳香族聚合物，长期被视为低价值废弃物。近期发表于《Advanced Science》的一项研究，提出以合成生物学为核心的木质素高值化策略，通过重构微生物代谢网络，将木质素解聚产物定向转化为多种芳香族平台化学品，为可持续碳生物制造提供了全新范式。
研究背景
木质素是植物细胞壁中三大组分之一，质量占比可达15%–30%，是唯一由苯丙烷单元构成的可再生大分子。然而，其高度交联的随机结构使其难以被高效降解和利用。传统制浆造纸工业中，木质素主要作为“黑液”燃烧供热，不仅造成芳香族碳资源浪费，还伴随二氧化碳排放。近年来，催化解聚和生物转化研究取得进展，但将木质素单体稳定转化为高附加值化学品仍面临诸多挑战：木质素来源异质性强，微生物可利用的底物种类有限；解聚产物中酚类、醛类等对菌株具有显著毒性；芳香环代谢通路冗长且与生长竞争碳通量。
合成生物学的快速发展提供了破除上述瓶颈的工具。通过基因线路设计、酶工程改造以及基因组编辑，研究者能够赋予微生物全新的木质素转化能力。该研究正是基于这一背景，提出“由降解转向制造”的重新想象，系统整合木质素解聚、产物运输、代谢转化和抗逆适应等模块，力图在单一微生物底盘内构建高效、可调控的芳香族碳生物制造系统。
研究方法
该研究采用典型的“设计—构建—测试—学习”合成生物学循环，整体技术路线涵盖五个关键环节（
其次，针对木质素解聚液中的复杂底物组成，研究团队设计并筛选了多种转运蛋白和脱氢酶。例如，来自特定菌株的香草醛脱氢酶、阿魏酰辅酶A水合酶/裂解酶等被异源表达，并经过定向进化以提升底物亲和力和催化效率。这些酶模块与内源β-酮己二酸途径整合，构成一条从木质素单体到多种芳香族中间体的模块化代谢网络。
第三，研究引入了动态调控系统。通过构建响应酚类化合物浓度的生物传感器，实现了基因表达的自动调控。当细胞内木质素单体积累到一定水平时，传感器激活下游转化酶的表达，同时抑制细胞生长所需的关键基因，从而将代谢流精准导向产物合成。这一策略有效缓解了底物毒性对菌株生长的影响。
第四，在发酵工艺层面，研究采用了两相连续发酵系统。菌株先在富营养培养基中快速增殖，后转入以木质素解聚液为唯一碳源的生产阶段。同时，通过添加离子液体萃取剂，原位分离芳香族产物，降低产物的反馈抑制。整个流程通过微流控设备实现了多种油相、水相和多相体系中的快速迭代培养，最终筛选出具有高耐受性和高产率的工程菌株。
最后，研究利用多组学数据和基因组规模代谢模型进行机器学习分析，预测不同基因修饰组合对产物分配的影响。基于模型输出，研究者对最优菌株进行了第二轮代谢工程，包括过表达关键限速酶、敲除辅因子消耗途径，以及引入异源甲羟戊酸途径来提高细胞内NADPH供给。通过数轮循环，最终构建出能高效转化真实木质素解聚物的全细胞催化剂。
研究结果
该研究取得了多项标志性成果。在底物利用方面，工程菌株展现出广泛的底物谱，能够同时利用香草醛、紫丁香醛、对香豆酸、阿魏酸等六种以上典型的木质素单体，而野生型菌株通常只能代谢其中一两种。其总底物消耗率在36小时内达到80%以上，显著优于文献报道中多数单一底物转化案例。
在产物合成方面，研究建立了可切换产物合成的基因线路。通过改变诱导剂类型，工程菌能够将木质素单体分别导向三种高价值芳香族产品：原儿茶酸、没食子酸和香草醛。以香草醛为例，在最优条件下摇瓶发酵产量达到12.6 g/L，产率对底物为0.42 mol/mol；原儿茶酸产量则超过18 g/L，且产物纯度在萃取后达到95%以上（）。这些数值已接近工业发酵水平，对于木质素衍生底物而言尤为突出。
更值得关注的是，研究通过动态调控和原位萃取联用，有效缓解了产物毒性。在连续发酵模式下，工程菌的产物生产周期从48小时延长至160小时，总产量提高了约3倍。组学分析显示，工程菌株上调了活性氧清除系统、热休克蛋白以及外排泵相关基因，表明其已适应高浓度酚类环境。与未改造菌株相比，工程菌在含20 g/L香草醛的培养基中仍可维持60%以上的相对生长速率，而野生型在此浓度下几乎无法存活。
另一项关键结果是系统重构了辅因子平衡。由于木质素单体的芳香环裂解过程需要消耗大量氧气和还原力，研究通过在工程菌中引入来源于假单胞菌的NADH-细胞色素b5还原酶体系，使胞内NADH/NAD⁺比例下降22%，同时NADPH浓度上升18%，从而为芳香环双加氧酶提供了充足还原力。最终，单位细胞干重的产物合成速率较初始菌株提高了5.4倍（）。
此外，研究还在非模式底盘——嗜盐菌中复制了部分代谢模块，显示出该平台在不同微生物背景下的可移植性。虽然产物产量尚不及模式菌株，但嗜盐菌耐高盐和强碱的特点，使其能够在木质素酶解液不经脱盐处理的情况下直接发酵，极大降低了预处理成本。这一结果暗示了合成生物学框架在工业极端条件下的应用潜力。
讨论与展望
该研究为木质素的高值化利用提供了系统性的合成生物学方案，其核心价值在于“重新想象”了木质素的角色：从废弃物转变为可持续芳香碳的关键来源。与传统的热化学转化相比，生物转化能在常温常压下进行，并实现产物高度专一；而与美国能源部提出的先进生物炼制路线相比，该研究通过动态调控和原位产物分离，解决了酚类毒性和产物抑制两大长期痛点，将木质素单体的转化效率提升到接近工业应用的水平。
然而，距离产业化仍有明显距离。木质素解聚液的复杂组成和批次差异要求更稳健的原料预处理技术；工程菌株在大规模发酵罐中的传质与供氧效率需要进一步验证；此外，产物提取成本目前占生产总成本的30%–50%，开发低能耗的原位分离方法至关重要。未来研究可以从三方面深化：一是利用计算辅助酶设计，突破芳香环裂解酶效率低、稳定性差的瓶颈；二是构建多种底物协同利用的“超级菌群”，将不同木质素组分的分解功能分配给不同菌株，实现分工合作；三是结合自适应实验室进化，使菌株在长期连续生产中保持高活性。
在碳中和背景下，该研究展示了合成生物学如何推动碳资源循环。如果进一步与绿色氢能、光驱动生物杂合体系相结合，木质素生物制造甚至能够实现负碳排放。这项工作是迈向可持续芳香族碳经济的重要一步，其提出的模块化、可调控、多产物的策略，有望为其他芳香族聚合物（如塑料废弃物）的升级再造提供借鉴。未来，随着基因合成成本的持续下降和自动化高通量平台的发展，木质素生物制造的工业化图景将变得更加清晰。
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), 2024. DOI: 10.1002/advs.202302475（以期刊最终记录为准）.