新型生物催化劑促進(jìn)秸稈高值化應(yīng)用

木質(zhì)纖維素的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和組成形成了天然拮抗降解作用的屏障。因此，如何實現(xiàn)木質(zhì)纖維素高效、低成本的酶解糖化成為秸稈產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的主要瓶頸問題之一。

近日，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所代謝物組學(xué)研究組成功開發(fā)出新型木質(zhì)纖維素整合生物糖化(CBS)生物催化劑，CBS工藝有望以具有經(jīng)濟(jì)實用性和可持續(xù)性的方式，將木質(zhì)纖維素生物轉(zhuǎn)化帶入實際工業(yè)應(yīng)用中，從而極大促進(jìn)木質(zhì)纖維素生物質(zhì)資源的大規(guī)模應(yīng)用。該工作日前在線發(fā)表于《生物資源技術(shù)》。

《中國科學(xué)報》了解到，此前，該研究組在針對熱纖梭菌及纖維小體開展長期研究的基礎(chǔ)上，建立了全新的CBS策略。CBS采用基于纖維小體的新型生物催化劑，并以可發(fā)酵糖作為出口偶聯(lián)下游應(yīng)用，具有顯著的靈活性和成本優(yōu)勢。

此外，研究組還進(jìn)一步圍繞CBS技術(shù)特點開發(fā)出上下游工藝，從而形成從原料到高值產(chǎn)品的全鏈條工藝，這是我國科學(xué)家在國際上首次提出的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的秸稈高值化轉(zhuǎn)化成套技術(shù)路線。

由于纖維素的水解物纖維二糖對纖維小體體系產(chǎn)生嚴(yán)重的反饋抑制，同時在CBS生物催化劑中，β—葡萄糖苷酶(BGL)的表達(dá)不可缺少，為此，代謝物組學(xué)研究組通過向熱纖梭菌中引入外源BGL，構(gòu)建了兩代CBS生物催化劑，實現(xiàn)了纖維素到葡萄糖的高效轉(zhuǎn)化。然而，在熱纖梭菌中實現(xiàn)異源蛋白的高水平表達(dá)仍具有較大的挑戰(zhàn)性。另一方面，滿足CBS要求的BGL最優(yōu)表達(dá)水平及其與纖維小體的匹配規(guī)律也不清楚。

為了解決這些問題，研究人員開發(fā)出基于質(zhì)粒骨架的高效異源表達(dá)方法，實現(xiàn)了BGL在熱纖梭菌中的高水平表達(dá)和外泌，獲得了第三代CBS生物催化劑，進(jìn)而明確了胞外BGL與纖維小體活性的最佳比值應(yīng)在5.5到21.6的范圍內(nèi)。

不僅如此，研究人員還發(fā)現(xiàn)，盡管BGL對于提高CBS糖化效率至關(guān)重要，但過量的BGL表達(dá)及其通過I型cohesin-dockerin相互作用在纖維小體上的組裝，均會導(dǎo)致纖維小體活性降低，這不僅證實了BGL與纖維小體協(xié)同活性的重要性，更將有效指導(dǎo)下一步CBS生物催化劑的優(yōu)化和改良。

目前，基于構(gòu)建的第三代CBS生物催化劑，研究組通過與企業(yè)的合作已經(jīng)建成百噸級秸稈糖化中試示范，將進(jìn)一步解決中試放大過程中的技術(shù)問題，開展CBS過程的生產(chǎn)成本估算和進(jìn)一步的技術(shù)優(yōu)化。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.125441