華中科技大學(xué)謝尚縣教授團(tuán)隊(duì)基于芳香族中樞代謝物的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)將木質(zhì)素高效轉(zhuǎn)化為生物塑料
Lignin valorization to bioplastics with an aromatic hub metabolite-based autoregulation system
通訊作者：謝尚縣
發(fā)表雜志：nature communications
發(fā)表時(shí)間：2024.10.28
DOI：10.1038/s41467-024-53609-3
研究背景：
木質(zhì)素是地球上最豐富的可再生資源之一，主要存在于植物細(xì)胞壁中，與纖維素和半纖維素一起構(gòu)成木質(zhì)纖維素。然而，由于其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和頑固的抗性，木質(zhì)素的轉(zhuǎn)化利用一直面臨巨大挑戰(zhàn)。隨著生物煉制技術(shù)的快速發(fā)展，將木質(zhì)素轉(zhuǎn)化為高價(jià)值化學(xué)品，如可降解塑料，對于提升生物精煉的經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性具有重要意義。將木質(zhì)素轉(zhuǎn)化為生物聚酯（如聚羥基丁酸酯PHB）的轉(zhuǎn)化過程需微生物同時(shí)具備芳香族化合物代謝和合成生物聚酯的能力。羅爾斯通氏菌（Ralstonia eutropha H16）因其代謝多樣性、高密度發(fā)酵能力和高聚酯積累能力成為生物聚酯生產(chǎn)模式菌株之一。
研究內(nèi)容：
謝尚縣教授團(tuán)隊(duì)首先測試了Ralstonia eutropha H16對木質(zhì)素衍生的芳香族化合物的代謝能力，發(fā)現(xiàn)其無法代謝香草酸、異香草酸、香蘭素和 3,4-二羥基苯甲醛等芳香醛類物質(zhì)；為增強(qiáng)Ralstonia eutropha H16對芳香醛物質(zhì)的耐受性和代謝能力，引入甲醛解毒模塊和VanAB 去甲基化模塊，強(qiáng)化了其對木質(zhì)素衍生的芳香族化合物的代謝能力。隨后，謝尚縣教授團(tuán)隊(duì)根據(jù)細(xì)菌底物代謝分析和功能基因注釋，測試了6個(gè)基因簇；鎖定調(diào)控蛋白PcaQ，構(gòu)建了基于芳香族樞紐原兒茶酸的自動(dòng)調(diào)節(jié)（HMA）系統(tǒng)；HMA 系統(tǒng)集成了將木質(zhì)素衍生的芳香族化合物轉(zhuǎn)化原兒茶酸所需的基因，PcaQ啟動(dòng)子引導(dǎo)的功能基因的低水平泄漏表達(dá)將使宿主能夠?qū)⒛繕?biāo)底物略微轉(zhuǎn)化為原兒茶酸，而產(chǎn)生的原兒茶酸會(huì)反饋給調(diào)控蛋白PcaQ，以增強(qiáng)受PcaQ啟動(dòng)子調(diào)控的功能基因的表達(dá)強(qiáng)度，進(jìn)一步促進(jìn)靶底物轉(zhuǎn)化為樞紐代謝物原兒茶酸，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對不同類型LDAs的自我增強(qiáng)調(diào)節(jié)。之后，謝尚縣教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了調(diào)控蛋白PcaQ的突變體，對Met143、Arg145和 Asn146的三個(gè)位點(diǎn)進(jìn)行飽和突變測試，發(fā)現(xiàn)PcaQR145K對低濃度原兒茶酸更加敏感；因此，選擇突變體PcaQR145K作為調(diào)控蛋白，用于構(gòu)建HMA系統(tǒng)。最后，謝尚縣教授團(tuán)隊(duì)為了測試設(shè)計(jì)的HMA 系統(tǒng)在混合芳香族化合物代謝中的功能，選擇香草酸、香蘭素、原兒茶酸、4-羥基苯甲酸、4-羥基苯甲醛和3,4-二羥基苯甲醛6 種木質(zhì)素衍生的芳香族化合物混合物作為底物進(jìn)行發(fā)酵。結(jié)果表明，24 h內(nèi)香草酸、香蘭素、原兒茶酸和 4-羥基苯甲酸完全代謝，而4-羥基苯甲醛和3,4-二羥基苯甲醛在36 h內(nèi)完全代謝。此外，使用從馬尾松生物質(zhì)堿性預(yù)處理液中提取的木質(zhì)素衍生的芳香族化合物進(jìn)行發(fā)酵，96 h后PHB產(chǎn)量達(dá)到2.38 ± 0.22 g/L。
總結(jié)：
該研究通過構(gòu)建基于原兒茶酸的自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了木質(zhì)素向可降解塑料的高效轉(zhuǎn)化，為木質(zhì)素的高值化利用提供了新思路和新方法。未來，隨著合成生物學(xué)和生物煉制技術(shù)的不斷發(fā)展，有望將更多類型的木質(zhì)素轉(zhuǎn)化為高值化學(xué)品，為可持續(xù)發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)。
