来源：Semantic Scholar | 编译：DNA Lab Space
**导语**
在全球碳中和与塑料污染双重压力下，利用廉价、非粮的木质纤维素生物质生产可降解生物塑料被视为一条理想的绿色制造路线。然而，木质纤维素水解液成分复杂、微生物利用效率低及塑料性能不足等问题长期制约着产业化进程。一项最新研究通过对酿酒酵母（*Saccharomyces cerevisiae*）进行靶向代谢工程改造，首次实现了从木质纤维素到高性能生物塑料的一步式高效转化，产物性能媲美石油基塑料，为生物基材料的低成本、高品质制造开辟了新范式。
研究背景
传统塑料的不可降解性已造成严重的生态环境危机，而聚羟基脂肪酸酯（PHA）、聚乳酸（PLA）等生物塑料因可完全生物降解、生物相容性好等优势成为理想替代品。然而，当前生物塑料的生产主要依赖粮食作物（如玉米、甘蔗）来源的糖类，存在“与人争粮”的伦理风险和高原料成本问题。木质纤维素生物质（如农业秸秆、林业废弃物）是地球上最丰富、最廉价的可再生碳源，将其高效转化为生物塑料具有重大经济和生态价值。
木质纤维素由纤维素、半纤维素和木质素紧密交联而成，经过预处理和酶解可释放出葡萄糖、木糖等可发酵糖。但自然界的微生物很少能同时高效代谢所有糖类，且水解液中普遍存在的糠醛、乙酸等抑制物会严重干扰细胞生长和产物合成。酿酒酵母是公认的工业发酵底盘，具有高耐逆性、成熟的遗传操作体系及长期食品应用的安全性，但它天然不能利用木糖（占半纤维素水解产物30%–50%），也缺乏生物塑料合成途径。
近年来，合成生物学的发展使定向改造酵母成为可能。通过引入外源木糖代谢途径、增强前体供给、重构中心碳代谢等策略，研究人员已初步实现了酵母利用木质纤维素水解液生产乙醇、有机酸等化学品。然而，将其用于生物塑料合成仍面临三个核心挑战：一是木糖与葡萄糖的协同高效共利用；二是聚酯合成途径与宿主代谢通量的精准适配；三是产物分子量、单体组成等结构参数的可控性，这直接决定塑料的力学性能和加工品质。早期尝试往往因碳流竞争、辅因子失衡或毒性中间体积累而导致产率极低、聚合物性能无法达标。
针对上述瓶颈，Diana 等人提出了“靶向代谢工程”的系统性解决方案：从木糖同化、前体供应、聚酯聚合到宿主胁迫响应等多个维度同步改造酿酒酵母，旨在构建一个能直接、高效地将农林废弃物转化为结构可控、品质优良的生物塑料的细胞工厂。
研究方法
研究团队设计了一套多层级的工程改造路线，主要分为四个模块：
**1. 木糖高效代谢模块的构建与优化**
首先，在酿酒酵母中整合了来源于 *Scheffersomyces stipitis* 的木糖还原酶（XR）和木糖醇脱氢酶（XDH）基因，构建经典的氧化还原路径，同时过表达内源木酮糖激酶（XKS1），打通木糖进入磷酸戊糖途径（PPP）的通道。为解决XR/XDH路径的辅因子不平衡（XR偏好NADPH，XDH严格依赖NAD⁺）导致木糖醇积累的问题，研究人员突变了XR的辅因子结合域，使其对NADH的亲和力提升约8倍，显著减少了木糖醇副产物。此外，利用弱启动子精确调控XKS1表达水平，避免了过多碳流涌入PPP引发的代谢溢出。最终在木糖单一碳源上，工程菌的木糖消耗速率和生物量达野生型导入基础途径菌株的2.3倍。
**2. 聚羟基丁酸酯（PHB）合成途径的引入与微调**
选定广泛研究、性能优良的短链PHA——聚-3-羟基丁酸酯（PHB）为目标产物。从 *Ralstonia eutropha* 克隆了由β-酮硫解酶（PhaA）、乙酰乙酰辅酶A还原酶（PhaB）和PHB合酶（PhaC）构成的三基因操纵子，整合至酵母基因组的rDNA多拷贝位点。为实现代谢通量的精准控制，每种酶的核糖体结合位点（RBS）和启动子强度经过组合筛选，筛选出PhaB相对于PhaA和PhaC更高表达的组合，以减少中间代谢物乙酰乙酰辅酶A的毒性和扩散损失。同时，将PHA颗粒结合蛋白（PhaP）编码基因一同整合，促进聚合物的胞内成核和定向积累。
**3. 中心碳代谢的重新布线**
为提高乙酰辅酶A这一关键前体的胞质供应，实施了多重基因回路调控：敲除了胞质乙酰辅酶A竞争途径中的主要消耗基因——乙醇脱氢酶1（ADH1）和甘油-3-磷酸脱氢酶1（GPD1），将碳流导向PHB合成；过表达乙酰辅酶A合酶1（ACS1）的组成型激活突变体ACS1ᴸ⁶⁴¹ᴾ，强化乙酸到乙酰辅酶A的回补通道；同时将线粒体丙酮酸载体（MPC）弱化，迫使更多丙酮酸在胞质中被转化为乙酰辅酶A。这些改造使胞质乙酰辅酶A浓度提升了4.6倍，且未显著影响菌株的基础生长。
**4. 耐受性增强与辅因子工程**
针对木质纤维素水解液中的抑制物，适应性实验室进化结合过表达醛酮还原酶（ARI1）和锌指转录因子YAP1，显著提升了菌株对糠醛、5-羟甲基糠醛以及乙酸的耐受性。辅因子平衡方面，引入了来源于细菌的NADPH再生循环——磷酸转酮酶（PKT）与磷酸转乙酰酶（PTA）组合，可将部分果糖-6-磷酸直接转化为乙酰辅酶A并产生NADPH，增强了合成PHB所需的还原力供给。
最终获得的工程菌株命名为Sc-PHBv5.0，能够在含100%未脱毒蒸汽爆破玉米秸秆水解液（混合糖浓度~85 g/L）中正常生长并高效积累PHB。
研究结果
**高效共利用混合糖，实现超高细胞密度发酵**
在模拟水解液（葡萄糖40 g/L，木糖25 g/L，阿拉伯糖5 g/L，含常见抑制物10 mM乙酸、2 mM糠醛）的分批补料发酵中，Sc-PHBv5.0表现出优异的糖共利用能力：葡萄糖消耗与木糖消耗几乎同步启动，木糖利用率高达92%，残留浓度低于2 g/L。发酵72小时后，细胞干重（CDW）达到28.4 g/L，较母本对照株提高近3倍，表明中心代谢改造并未造成过度的生理负担，反而通过拓宽碳源利用范围促进了生长。
**PHB产量与含量达到产业化基准**
在相同条件下，Sc-PHBv5.0胞内PHB含量最高为 CDW 的 65.8%，产量达到18.7 g/L，产率系数为0.31 g PHB/g 总糖（理论得率约0.48 g/g），生产强度为0.26 g/L·h。这一数据已经接近或超越了部分以纯糖为底物的天然菌株系统，且是在木质纤维素水解液体系中首次突破60%含量的报道。透射电镜清晰显示细胞内有大量占体积的高电子密度PHB颗粒，数目达20–40个/细胞。
**塑料品质的精确调控与优异性能**
GPC分析显示，提取的PHB重均分子量（Mw）达8.2×10⁵ Da，多分散性指数（PDI）为1.8，体现出链长的高度均一性。DSC测定其熔融温度为177°C，结晶度58%，与商用PHB树脂基本无差异。拉伸测试结果表明，热压成型样品的拉伸强度为38 MPa，断裂伸长率为5.8%，杨氏模量1.2 GPa，各项力学指标均满足替代一次性塑料包装的要求。更关键的是，通过控制不同碳氮比以及诱导时机，能够灵活调节PHB的分子量和分散度，实现了塑料性能按需定制。
**全水解液直接发酵验证**
在未经脱毒处理的真实玉米秸秆水解液（总糖77 g/L，乙酸8.6 g/L，糠醛1.9 g/L，酚类抑制剂0.7 g/L）5 L发酵罐放大实验中，菌株延滞期缩短至6小时以内，96小时PHB产量达16.2 g/L，含量61.3%，且产物性能与模拟体系一致。发酵结束后，菌体经低毒溶剂提取得到的PHB纯度超过97%，整体回收率约89%。这充分展示了该工程菌株强大的工业适应性和技术转移潜力。
讨论与展望
该研究通过系统性的代谢工程策略，成功将酿酒酵母改造为一株“木质纤维素生物塑料细胞工厂”，解决了多碳源同步利用、前体供给瓶颈和聚合物质量控制等一系列关键科学问题。与既往依赖大肠杆菌或天然产PHA的细菌相比，酿酒酵母具有pH耐受范围广、不易噬菌体污染、胞内吞噬合成便于产物分离等突出优点，更适合大规模、粗放式工业发酵。
在分子层面，辅因子平衡的重构和AcCoA代谢库的扩张是产量飞跃的核心。引入外源PKT-PTA路径不仅再造了NADPH再生节点，还创建了更短的乙酰辅酶A合成捷径，有效绕过了内源复杂的调控网络。此外，PHB颗粒表面蛋白PhaP的表达使得聚合物能在不显著影响细胞正常生命活动的情况下大量堆积，突破了胞内容积限制，其分子机理值得深入探究。
然而，当前产率和强度仍有较大提升空间。未来可通过以下途径进一步优化：一是利用动态调控回路（如氧响应启动子）自动协调生长与生产，缓解代谢负担；二是探索高效分泌或自溶释放系统，简化后处理工艺；三是拓展至共聚物（如PHBV）生产，通过引入丙酸前体供应模块实现柔性与强度的平衡；四是直接利用纤维素水解固形物或整合木质素降解菌群，实现真正意义上的零废弃全组分利用。
此外，该研究中使用的靶向多重基因组改造方法具有普适性，可为其他难于利用的底物（如海藻多糖、厨余垃圾水解液）的生物转化提供借鉴。一旦生物塑料的碳源成本降低至与石化基产品可比，其环境友好特性必将推动其在包装、农用地膜、医疗器械等领域的全面普及。
总体而言，Diana 等的工作不仅将木质纤维素生物塑料的生产效率推至新高度，更重要的是验证了在真核底盘进行高产、高质生物聚合物定制合成的可行性，为下一代先进的、环境可持续的生物制造体系奠定了坚实基础。
参考来源
N. Diana, Z. Ahmad, S. Fajic. Targeted Metabolic Engineering of *Saccharomyces cerevisiae* for High-Efficiency Valorization of Lignocellulosic Biomass into Superior-Quality Bioplastics. *Semantic Scholar*, DOI: 10.37275/nasetjournal.v5i2.70.
DOI: 10.37275/nasetjournal.v5i2.70